第3章 流动与形变

聚合物的流变性质是聚合物流变 学研究的范畴聚合物流变学主要研究对象：是 认识应力作用下，聚合物产生的弹性、 塑性、粘性形变及这些行为与各因素 之间的关系。

简单说：聚合物流体的流变学是研究聚合物流动 和形变的科学。

而聚合物加工流变学就是适应聚合物加 工发展的需要而提出的。聚合物加工流变学主要任务：

以聚合物流体(主要是熔体)作为研究 对象，应用流变学的基本原理，分析和处 理高分子材料加工过程中的工艺和工程问 题，从而提高制品的质量和生产效率。

聚合物流体包括

粘流温度Tf或 熔点Tm以上的 熔融聚合物 (熔体)

在不高温度下保持 流动的聚合物溶液 (液体)或悬浮体 (分散体)

教学目的和要求

1、掌握粘度的定义及影响粘度的因素。2、了解弹性的表现和表征。 3、了解聚合物的流动类型。 重点和难点 1、聚合物的非牛顿剪切粘性。

2、聚合物流体的弹性行为。

3.1 聚合物的流变性质层流和湍流Re<2100 低分子流体 Re>2500 层流 湍流

Re=2100~2500

过渡态(介于层流与湍流)

聚合物熔体，在成型过程中流动时，其雷诺准 数一般小于10,分散体也不会大于2100,因此其 流动均为层流。

原因： 粘度高，如低密度聚乙烯的熔体粘度约 0.3×102 ~ 1×103 Pa· s ,而且流速较低，在加工过程 中剪切速率一般不大于103 s-1。

注意但是在特殊场合，如经小浇口的熔体注射 进大型腔，由于剪切应力过大等原因，会出现 弹性湍流，熔体会发生破碎，破坏成型。

稳定流动与不稳定流动

凡流体在输送通道中流动时，该流体在任何 部位的流动状况保持恒定，不随时间而变化，即一 切影响流体流动的因素都不随时间而改变，此种流 动称为稳定流动。所谓稳定流动，并非是流体在各部位的速度以 及物理状态都相同。而是指在任何一定部位，它们 均不随时间而变化。

正常操作的挤出机中，塑料熔体沿螺杆螺 槽向前流动属稳定流动，因其流速、流量、 压力和温度分布等参数均不随时间而变动。

等温流动和非等温流动实际

等温流动是指流体各处的温度保持不变情况下 的流动。 在等温流动情况下，流体与外界可以进行热量 传递，但传入和输出的热量应保持相等。

常常将熔体充模流动阶段当作等温流动过程来 处理，因为不会有过大的偏差，却可以使充模过程 的流变分析大为简化。

在聚合物加工的实际条件下，聚合物流体的 流动一般均呈现非等温状态。 一方面是由于成型工艺要求将流道各区域控 制在不同的温度下； 另一方面，是由于粘性流动过程中有生热和 热效应。

这些都使其

在流道径向和轴向存在一定的 温度差。例如塑料的注射成型，熔体在进入低 温的模具后就开始冷却降温。

拉伸流动和剪切流动

按照流体内质点速度分布与流动方向关系，可 将聚合物加工时的流体的流动分为两类：拉伸流动：质点速 度沿着流动方向发 生变化； 剪切流动：质点速 度仅沿着与流动方 向垂直的方向发生 变化。

剪切流动按其流动的边界条件可分为拖曳流动和压力流动 由边界的运动而产生的流动，如运转滚筒表面 对流体的剪切摩擦而产生流动，即为拖曳流动。 而边界固定，由外压力作用于流体而产生的流 动，称为压力流动。例如

聚合物熔体注射成型时，在流道内的流动属 于压力梯度引起的剪切流动。

聚合物在挤出机螺槽中的流动为另一种剪切 流动，即拖曳流动。

聚合物流体的非牛顿剪切粘性聚合物流体在加工过程中受力的类型有三种： 剪切应力、拉伸应力和静压力。 在高分子材料成型过程中，聚合物的材料随受力性质与作 用位臵的不同而产生不同类型的应力、应变和应变速率。 对成型影响最大的是剪切应力,因为成型时液态聚合物 在设备或模具中流动的压力降、所需功率以及制品质量等都 要受到它的制约。 其次是拉伸应力，经常与剪切应力同时出现，如用吹 塑法或拉幅法生产薄膜，熔体在变截面导管中的流动以及 单丝的生产等。 成型时液体静压力影响相对较小，可忽略不计，但对 粘度有影响。

聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称 为剪切流动。 例如： 聚合物在简单的管和槽中的流动，由于压力的 作用引起的流动，属于简单的一维压力流动，在 流动中只受到剪切力的作用。 为研究方便，可将层流流体视为一层层彼此相 邻的液体在剪切应力τ作用下的相对滑移。

层流可以用牛顿流体流动定律来描述：在一定温度下，施加于相距dr的液层上的剪切应 力(单位为N/m2),与层流间的剪切速率dυ/dr(又 称速度梯度，单位为s-1)成正比，其表达式：

dv dr式中 η- 比例常数，称为粘度，Pa· s