高分子材料流变学-6不稳定性及壁滑现象

第九章 高分子熔体流动不稳定性及壁滑现象

稳定的连续流动和“管壁无滑移假定”

在前面讨论的高分子材料成型加工过程和流变学测量过程中， 都不加证明的假定其中…..实际过程 实际的高分子材料成型加工过程及流变学测量中，物料的流动 状态受诸多内部和外部因素影响，一旦超过临界值，流场中常 常出现流动不稳定的情形 高分子熔体流动不稳定性的种类 ① 挤出成型过程中的熔体破裂行为 ② 拉伸成型过程(纤维纺丝和薄膜拉伸成型)中的拉伸共振现象 ③ 辊筒加工过程中的物料断裂现象

第一节 挤出成型过程中的熔体破裂行为1.1 两类熔体破裂现象 定义 熔体的挤出破裂行为：在挤出过程中，当熔体剪 切速率超过某一临界剪切速率 crit 时，挤出物表面 开始出现畸变的现象。表现为：最初表面粗糙， 而后随 (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)。

从现象上可以概括的分为： ① LDPE(低密度聚乙烯型) 随挤出剪切速率的增大，粗糙表面出现→无规则破裂。 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。

② HDPE(高密度聚乙烯型) 随挤出剪切速率的增大，粗糙表面出现→有规则的畸变→无规 断裂。 线性聚合物分子，如聚丁二烯、乙烯-丙烯共聚物、线性的聚二

甲基硅氧烷、聚四氟乙烯等。

两类材料的流变曲线的比较(图9-1、9-2) LDPE型，流变曲线简单，可确定 crit 或 crit

HDPE型，流变曲线复杂① AB段-光滑段，低剪切速率 ② BC段-挤出物表面开始出现粗糙或有规则的挤出畸变， c 1 之后

③ DE段-光滑段，第二光滑挤出区， c 2 之后，进一步增大剪切速 率至 c 3 ,挤出物呈现无规破裂，直至完全粉碎。

注意：第二光滑挤出区对加工有利

1.2 熔体破裂现象的机理分析机理非常复杂 ① 熔体的非线性粘弹性、

② 分子链在剪切流场中的取向和解取向③ 缠结与解缠结 ④ 外部工艺条件 有限弹性解释：外界赋予液体的形变能远远超过液体可承受的 极限时，多余的能量将以其他形式表现出来，其中产生新表面 消耗表面能使一种形式，即发生熔体破裂

Tordella流动双折射实验结果：① LDPE型熔体应力主要集中在口模入口处，如图9-3,入口区流线呈典型的 喇叭形收缩，存在死角，环流区 低流速：死角处的涡流(环流)不影响挤出 高流速：主流道内流线断裂，死角处的涡流进入主流道，主流区 和环流区轮番进入口模，导致无规畸变

② HDPE型熔体应力主要集中在口模内壁附近，不

存在死角 聚合物熔体的时滑时粘，导致有规畸变

低剪切速率时，正常挤出 剪切速率提高，模壁附近应力集中，流线断裂。

同时，熔体贮能增加，熔体通过滑移释放能量。 释放能量后，熔体再次与模壁粘附。时滑时粘。 剪切速率继续提高，熔体全滑动，进入第二光滑 挤出区。

注意：以上机理分析尚需要大量实验与理论工作论证和验证

1.3 影响熔体挤出破裂行为的因素1.3.1 口模的形状和尺寸① 口膜人口角α(对LDPE的影响):入口角由平口型变成喇叭型， 挤出破裂现象越小 原因(1)减小拉伸形变，从而减小吸收的弹性形变能

(2)将死角切去，减小涡流区有时采用二阶喇叭口型，时临界剪切速率进一步提高。

② 口模的定型长度LL增大，LDPE熔体的破裂现象减小 HDPE熔体的破裂现象反而会增加

1.3.2 挤出工艺和物料性质 ① 工艺工艺过程的特征时间小于材料本身的特征松弛时间，熔体破 裂现象易发生，加长工艺时间，或缩短特征松弛时间，都能使 熔体破裂现象减轻。如图9-7

降低挤出速度，升高熔体温度等等措施

② 材料性质 平均分子量：分子量大的熔体破裂现象严重 分子量的分布：相同分子量，分子量分布窄的熔体破裂现象严 重，与宽分布试样中低分子量级分的增塑作用有关

填料：加入熔体破裂现象减轻，无论是填充补强或软化增塑剂

第二节 纺丝成型过程中的拉伸共振现象2.1 拉伸共振现象及其机理定义：在熔体纺丝或平膜挤出成型过程(典型的拉伸流场)中当拉伸比超过某一临界拉伸比(vL/v0)crit时，熔体丝条直

径(或平膜宽度)发生准周期性的变化。

如图9-8所示，拉伸比越大，波动周期越短，流动程度越剧烈。 当拉伸比超过最大极限拉伸比(vL/v0)max,熔体丝条断裂。平膜 挤出过程中也有类似情况。

拉伸共振现象与熔体挤出破裂行为 熔体破裂现象：取决于熔体在口模前(入口区)与口模内(模壁附近)的流动和变形情况，它是熔体的不稳定性在出口区的表现。

拉伸共振现象：取决于熔体挤出口膜后的拉伸流动，是自由拉伸的丝条或平膜在 超 过临界拉伸比后发生的尺寸脉动现象。

注意：增加拉伸速率可以减轻纤维中因熔体破裂形成的缺陷

2.2 影响拉伸共振现象的因素 挤出口模的形状和尺寸 纺丝或挤膜工艺条件 聚合物本身的弹性行为 图9-9,口模长径比越大，临界拉伸比越高 熔体温度越高，……………………

图9-10图9-11 图9-12

贮器直径与口膜直径之比越大，临界拉伸比越低等温纺丝的临界拉伸比高于非等温纺丝 熔体在挤出口膜的表观剪切速率变大，临界拉伸比降低 …… 此处隐藏：746字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……