流变行为概述1

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1、流变行为概述如前所述，在大多数加工过程中，聚合物都在产生流动和形变。研究物质形变与流动的科学称为流变学（Rheology）。聚合物流变学的主要研究对象是认识应力作用下高分子材料产生弹性、塑性和粘性形变的行为以及研究这些行为与各种因素（聚合物结构与性质、温度、力的大小和作用方式、作用时间以及聚合物体系的组成等）之间的相互关系。由于流动与形变是聚合物加工过程最基本的工艺特征，所以，流变学研究对聚合物加工有非常重要的现实意义。  聚合物的流变行为十分复杂，例如聚合物熔体在粘性流动时不仅有弹性效应，而且还有热效应。所以要准确测定熔体的流变行为就比较困难。迄今，关于聚合物流变行为的解释仍然有很多

2、是定性的或经验性的，若干定量的描述还须附加一些条件，与真实情况比较还不完全符合。所以，聚合物流变学还是一门半经验的物理科学，有关的一些理论尚不十分完善，但流变学的概念已经成为聚合物成型加工理论的重要组成部分，它对材料的选择的使用、加工时最佳工艺条件的确定、加工设备和成型模具的设计以及提高产品质量等到都有极重要的指导作用。                 下一页 聚合物熔体的流变行为聚合物在加工过程中和形变系由于外力作用的结果，材料受力后内部产生与外力相平衡的应力。随受 力方式有不同应力通常有三种类型：剪切应力τ、拉伸应力σ和液体静压力P。材料受力后产生的形变 和尺寸改变（即几何形状的改

3、变）称为应变γ。应变方式和应变速率与外力的性质和作用有关。在上述 三种应力作用下的应变相应为简单的剪切、简单的拉伸和液体静压力的均匀压缩。单位时间内的应变称为应变速率（或速度梯度），可以表示为：聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。例如聚合物在挤出机、口模、注塑机、喷嘴 和流道以及纺丝喷丝板的毛细管孔道中的流动等到主要是剪切流动。聚合物在加工过程中受到拉应力作 用引起的流动称为拉伸流动，例如初生纤维离开喷丝板时和用吹塑法或拉幅法生产薄膜时都有这种拉伸 流动，但是实际加工过程中材料的受力情况非常复杂，往往是三种简单应力的组合，因而材料中的实际 应变也往往是二种或多种简单应变的

4、迭加。但仍应指出，此时剪切应力的作用和剪切应变更为重要，这 是因为聚合物液体在大多数加工过程中剪切流动是主要形式。拉伸应力和拉伸应变的重要性近几年来也 逐渐为人们所认识。除了生产纤维、拉幅薄膜和吹塑薄膜中存在拉伸流动外，拉应力往往与剪应力结合 在一起产生一些复杂的流动，如挤出成型和注射成型中物料进入口模、浇口和型腔时流产截面发生改变 的条件下所出现的情况。加工中液体静压力对流体流动性质的影响相对地说不及前两者显著，但它对粘 度有影响。聚合物流体可以是处于粘流Tf或熔点Tm以上的熔融状聚合物（即熔体），亦可以是在不高的温度下 仍保持为流动液体的聚合物溶液或悬浮体（即分散体）。这些流体形式

5、在聚合物加工过程中都有广泛的 应用。但聚合物熔体的应用在大多数塑料、橡胶和某些纤维的加工成型中占有更重要的地位。因此，有 关聚合物流体流动行为的讨论将以熔体的形式为主，在适当地方再结合溶液或悬浮体的流动行为加以 比较。加工过程中聚合物的流变性质主要表现为粘度的变化，所以聚合物流体的粘度及其变化是聚合物加工 过程最为重要的参数。根据流动过程聚合物粘度与应力或应变速率的关系，可以将聚合物的流动行为分 为两大类：(1）牛顿流体，其流动行为称为牛顿型流动；（2）非牛顿流体，其流动行为称为非牛顿型流动。以下分别讨论。下一页牛顿流体及其流动方程众所周知，低分子液体在圆管中流动时，当其雷诺准数（Re

6、ynoldsNumber）Re值小于2100时为层流 ，Re值大于2500时液体就从层流逐渐转变为湍流流动，由层流到湍流的过渡区Re可达2000~4000或更多。 聚合物熔体通常在加工过程中的流动基本上是层流流动。一般地熔体的Re＜＜1。为了研究流体流动的性质，可以把层流流动看成是一层层彼此相邻的薄层液体沿外力作用方向进行的 相对滑移。液层有平直的平面，彼此之间完全平行。图2-1是流动液体中液层移动情况的示意。　F外部 作用于整个液体的恒定的剪切力，A为向两端无限延伸的液层的面积。液层上的剪应力为：τ=F/A....................(2-1);(单位:牛顿/米2,即N/

7、m2),在恒定的应力作用下液体的应变表现为液层以均匀的速度v沿剪切力作用方向 移动。但液层间的粘滞能力和管壁的摩擦力使相邻层间在移动方向存在速度差。管中心阻力最小，液层 移动速度最大。管壁附近液层同时受到液体粘性阻力和管壁摩擦力作用，速度最小，在管壁上液层的移 动速度为零（假定不产生滑动时）。当液层间的径向距离为dr的两液层的移动速度为v和v+dv时，则液 层间单位距离内的速度差就是梯度dv/dr。但液层移动速度v等于单位时间dt内液层沿管轴x