高分子熔体的流变性

高分子材料加工原理一、高分子材料加工原理：1．高分子材料的加工性质：1）、高分子材料的加工性：高分子具有一些特有的加工性质，如良好的可塑性，可挤压性，可纺性和可延性。

正是这些加工性质为高分子材料提供了适于多种多样加工技术的可能性，也是高分子能得到广泛应用的重要原因。

高分子通常可以分为线型高分子和体型高分子，但体型高分子也是由线型高分子或某些低分子物质与分子量较低的高分子通过化学反应而得到的。

线型高分子的分子具有长链结构，在其聚集体中它们总是彼此贯穿、重迭和缠结在一起。

在高分子中，由于长链分子内和分子间强大吸引力的作用，使高分子表现出各种力学性质。

高分子在加工过程所表现的许多性质和行为都与高分子的长链结构和缠结以及聚集态所处的力学状态有关。

根据高分子所表现的力学性质和分子热运动特征，可将其划分为玻璃态、高弹态和粘流态，通常称这些状态为聚集态。

高分子的分子结构、高分子体系的组成、所受应力和环境温度等是影响聚集态转变的主要因素，在高分子及其组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。

不同聚集态的高分子，由于主价健与次价健共同作用构成的内聚能不同而表现出一系列独特的性质，这些性能在很大程度上决定了高分子材料对加工技术的适应性，并使高分子在加工过程表现出不同的行为。

高分子在加工过程中都要经历聚集态转变，了解这些转变的本质和规律就能选择适当的加工方法和确定合理的加工工艺，在保持高分子原有性能的条件下，能以最少的能量消耗，高效率地制备良好的产品。

玻璃态高分子不宜进行引起大变形的加工，表现为坚硬的固体，但可通过车、铣、削、刨等进行加工。

在玻璃化温度Tg以下的某一温度，材料受力容易发生断裂破坏，这一温度称为脆化温度，它是材料使用的下限温度。

在Tg以上的高弹态，高分子的模量减少很多，形变能力显著加大。

在Tg－Tf温度区靠近Tf，由于高分子的粘性很大，可进行某些材料的真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。

把制品温度迅速冷却到Tg以下温度是这类加工过程的关键。

第九章高分子熔体流动不稳定性及壁滑现象在前面讨论的高分子成型加工过程和流变测量中，都不加证明地假定高分子液体的流动，均为稳定的连续流动。

同时提出“管壁无滑移假定”。

正是在这些基本假定基础上，得到高分子液体在一些特定流场中的流动规律，了解并掌握了高分子液体基本的非线性粘弹性质。

然而在实际成型加工及流变测量中，物料流动状态受诸多因素影响，常常出现不稳定流动情形。

许多情况下，流场边界条件存在一个临界值。

一旦超越该临界值，就会发生从层流到湍流，从平整到波动，从管壁无滑移到有滑移的转变，破坏了事先假定的稳定流动条件。

研究这类熔体流动不稳定性及壁滑现象是从“否定”意义上讨论高分子的流变性质，具有重要意义。

该问题的工程学意义是，当工艺过程条件不合适，会造成制品外观、规格尺寸及材质均一性严重受损，直接影响产品的质量和产率，严重时甚至使生产无法进行。

高分子流动不稳定性主要表现为挤出过程中的熔体破裂现象、拉伸过程（纤维纺丝和薄膜拉伸成型）中的拉伸共振现象及辊筒加工过程中的物料断裂现象等。

熔体在管壁发生滑移与此类现象密切相关。

可以肯定地说，这些现象与高分子液体的非线性粘弹行为，尤其是弹性行为有关，是高分子液体弹性湍流的表现。

1．挤出成型过程中的熔体破裂行为1．1 两类熔体破裂现象熔体的挤出破裂行为：在挤出过程中，当熔体剪切速率γ 超过某一临γ 时，挤出物表面开始出现畸变的现象。

界剪切速率crit表现为：最初表面粗糙，而后随γ （或切应力）的增大，分别出现波浪型、鲨鱼皮型、竹节型、螺旋型畸变，直至无规破裂（见图1-6）。

从现象上分，挤出破裂行为可归为两类：一类称LDPE（低密度聚乙烯）型。

破裂特征是先呈现粗糙表面，当挤出γ 超过临界剪切速率γ 发生熔体破裂时，呈现无规破裂状。

属于此crit类的材料多为带支链或大侧基的聚合物，如聚苯乙烯、丁苯橡胶、支化的聚二甲基硅氧烷等。

一类称HDPE（高密度聚乙烯）型。

熔体破裂的特征是先呈现粗糙表面，而后随着γ 的提高逐步出现有规则畸变，如竹节状、螺旋型畸变等。

分子量对聚合物熔体拉伸流变行为的影响 -
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分子量是影响聚合物熔体拉伸流变行为的重要参数之一。

一般来说，随着聚合物的分子量增加，熔体的流变性能也会发生变化。

首先，分子量的增加会使聚合物的物理链长变长，链段之间的相
互作用增强。

这会导致熔体的黏度增加，使得聚合物熔体更加粘稠。

随着分子量的增加，聚合物的流动性也会降低，所以高分子量的聚合
物熔体通常具有较高的流变应力。

其次，分子量的增加也会影响聚合物的链动力学行为。

较高分子
量的聚合物链段之间的交织效应更加明显，使得聚合物熔体更加难以
流动。

这导致聚合物熔体的拉伸性能变差，通常表现为较低的延伸率
和较高的破断强度。

此外，分子量增加也会降低聚合物熔体的结晶度，使得熔体更容易发生流变失稳现象，如流动不均匀或区域局部熔化。

总体来说，分子量的增加会使聚合物熔体的流变性能发生一系列
变化，包括增加黏度、降低流动性、降低延伸性能和流变失稳等。

这
些影响是由于高分子量聚合物在熔融状态下的链段相互作用和链动力
学行为的改变所引起的。

♦假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<1♦膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>1♦宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ♦牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体♦剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低♦爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象♦挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径♦熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状♦无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象♦第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11−τ22=φ1∗γ212(N1通常为正值)♦第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22−τ33=φ2∗γ212(N2通常为负值)♦本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。

♦剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA♦剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。

在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=d vdy也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。

♦高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。

以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。

♦挤出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象♦常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）♦流变测量的目的：1）物料的流变学表征2）2）工程的流变学研究和设计3）3）检验和指导流变本构方程理论的发展♦高聚物的粘性流动的特点：1)流动机理是链段相继跃迁2)流动粘度大，流动困难，而且粘度不是一个常数3)流动时有构象变化，产生“弹性记忆”效应♦影响挤出胀大效应的因素：链结构、配方、切变速率与温度稳定♦挤出的措施：1)加料口供料速度必须均匀2）减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙δ3）调节机头流通系4）适当降低挤出温度5）适当增加螺杆长度♦影响熔体挤出破裂行为因素：1)口模的形状和尺寸2)挤出成型过程的工艺条件3)挤出物料的性质。

高分子流体的流动与流变特性研究摘要高分子流体是一类具备特殊流动与流变特性的聚合物材料。

研究高分子流体的流动与流变特性对于深入了解其结构与性能关系、优化工艺条件以及开发新型高分子材料具有重要意义。

本文将探讨高分子流体的流动和流变特性，并介绍一些常用的实验方法和理论模型来研究高分子流体的流变行为。

同时，还将讨论高分子流体在不同温度、压力和剪切速率下的流动特性及其与流变特性的关系。

最后，本文将以一些典型的高分子流体作为案例，详细介绍其流动与流变特性的研究进展。

1. 引言高分子流体是由聚合物构成的流体体系，具有特殊的流动与流变特性。

在工程应用领域中，高分子流体的流动和流变行为对于确定其性能和优化工艺条件具有重要意义。

高分子流体的流变特性包括剪切应力-剪切速率关系、流变曲线、力学弛豫和周期性变形等。

研究高分子流体的流动与流变特性有助于深入了解高分子材料的微观结构与性能关系，为高分子材料的合成和应用提供理论指导。

2. 实验方法在研究高分子流体的流动与流变特性时，通常采用一系列实验方法来获取相关数据。

常见的实验方法包括流变仪测量、旋转黏度计测试、拉伸和压缩实验以及动态力学分析等。

这些方法可以提供高分子流体的流变曲线、应力-应变关系以及其他与流动特性相关的数据。

同时，还可以通过实验方法确定高分子流体的粘度、弹性模量、屈服应力和剪切变稀等重要参数。

3. 流动特性研究高分子流体的流动特性是指其在不同剪切速率下的流动行为。

在实验室中，常使用流变仪进行流动特性研究。

流变仪通过施加剪切力，在流体中产生剪切应力，从而使流体发生变形。

通过改变剪切速率、温度和压力等条件，可以研究高分子流体的流动规律和流变特性。

流动特性的研究可以帮助我们了解高分子流体的黏度、剪切变稀、剪切稠化等重要参数，为高分子材料的设计和应用提供指导。

4. 流变特性研究流变特性是指高分子流体在外加剪切力作用下的变形与应力之间的关系。

在研究高分子流体的流变特性时，常使用流变仪和动态力学分析仪进行实验。