高分子材料流变学.ppt

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1、Qingdao University of Science and TechnologyQingdao，2011,高分子材料流变学,Rheology of Polymer Materials,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,王新 杨文君,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,研究高分子材料流变性的意义,高分子熔体和溶液具有流动性和可塑性，是高分子材料可以加工成型不同形状制品的依据；研究流变规律性，对于聚合工

2、程和聚合物加工工程的合理设计、优化和正确操作，实现高产、优质、低耗具有指导意义；在当前高分子工程中，流变学设计已成为分子设计，材料设计，制品设计及模具与机械设计的重要组成部分。,主要内容,第1章 高分子液体的奇异流变性和流动机理11 奇异的流变性质12 高分子黏流态特征及流动机理第2章 高分子液体的基本流变性质21 基本物理量与基本流变函数22 假塑性流体的流动规律23 关于“剪切变稀”和熔体弹性的说明第3章 关于高分子液体黏弹性的讨论31 影响剪切黏度的主要因素32 高分子液体弹性效应的描述,第4章 剪切黏度的测量方法41 毛细管流变仪测量表观剪切黏度42 恒速式双毛细管流变仪简介43 锥板

3、型转子流变仪简介44 落球式黏度计的测量原理,第5章 高分子熔体流动不稳定性51 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为52 纺丝成型过程中的拉伸共振现象 第6章 加工成型过程的流变分析 6.1压延工艺的流变分析6.2挤出成型的流变分析6.3 注射成型的流变分析,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,第一章 高分子液体的奇异流变性和流动机理,11 奇异的流变性质,“剪切变稀”行为（shear-thinning）:多数高分子液体的黏度随剪切速率增大而下降。“剪切变稠”效应（shear-thickening）:呈少

4、数高分子体系，如高浓度的聚氯乙烯塑料溶胶、高浓度填充体系等，黏度随剪切速率增大反常地升高。通常把具有“剪切变稀”效应的流体称假塑性流体（pseudoplastic fluid），具有“剪切变稠”效应的流体称胀流性流体（dilatant fluid）。它们均属于非牛顿流体范畴。,1）高黏度与“剪切变稀”行为,2）挤出胀大现象,图8-1 挤出胀大效应示意图,又称口模膨胀效应（die swell）或Barus效应,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,3）爬杆现象（Weissenberg效应）,又称Weiss

5、enberg效应。出现原因也被归结为高分子液体是一种弹性液体，具有法向应力差效应。,图8-2 高分子液体“爬杆”效应示意图,4）挤出畸变和熔体破裂现象,光滑 20 s-1,光滑 30 s-1,鲨鱼皮畸变100 s-1,鲨鱼皮畸变200 s-1,黏-滑转变300 s-1,螺纹状畸变800 s-1,螺纹状畸变1000 s-1,熔体破裂2000 s-1,图8-3 不同挤出速率下LLDPE熔体挤出物外观照片,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,这些现象也与高分子液体的弹性有关。由于有弹性因此液体能承受拉伸形变

6、，产生拉伸流动，且拉伸液流的自由表面相当稳定。这是高分子液体具有良好纺丝（一维拉伸）和成膜（一维或二维拉伸）能力的根据。,5）无管虹吸，拉伸流动和可纺性,图8-4 无管虹吸和侧壁虹吸效应示意图（N表示牛顿流体，P表示高分子液体）,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,1.2 高分子黏流态特征及流动机理,黏流态,高分子材料的黏流态，指温度处于黏流温度（Tf）和分解温度（Td）之间的一种凝聚态。从宏观看，黏流态主要特征是在外力场作用下，熔体产生不可逆永久变形和流动。微观看，发生黏性流动时分子链产生重心相对位

7、移的整链运动。,非晶态线形高分子材料的形变-温度曲线示意图ML、MH分别代表低分子量和高分子量,低结晶度线形高分子材料的形变-温度曲线示意图ML、MH分别代表低分子量和高分子量,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,研究表明，黏流态下大分子流动的基本结构单元并不是分子整链，而是链段，分子整链的运动是通过链段的相继运动实现的。研究高分子黏流活化能时发现，当熔体分子量很低时，随分子量增大而增大。分子量达到一定值后，值趋于恒定。与该恒定值对应的最低分子量相当于由20-30个C原子组成的链段的大小，说明熔体流动

8、的基本结构单元是链段。,表8-2 部分聚合物的流动温度,流动机理,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,第二章 高分子液体的基本流变性质,21 基本物理量与基本流变函数,211 剪切应力分量和法向应力分量,图8-6 单位立方体上各应力分量的位置关系,应力,定义为外力或外力矩作用下材料内部或表面单位面积上的响应力，单位为Pa（1Pa=1N/m2）或MPa(1MPa=106 Pa)。实际材料受外力作用后内应力状态十分复杂。分析某点附近立方体三个正交独立平面上的应力综合，就能完整描述该点的应力状态。应力分两类

9、：一类应力作用在相应面元的法线方向上，称法向应力分量；一类应力作用在相应面元的切线方向上，称剪切应力分量。,应力分两类：一类应力作用在相应面元的法线方向上，称法向应力分量；一类应力作用在相应面元的切线方向上，称剪切应力分量。,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,高分子液体流动时三个法向应力分量互不相等，存在法向应力差（normal stress difference）。通常定义两个法向应力差函数描写这种性质：,第一法向应力差,第二法向应力差,式中,称偏应力分量，p为各向同性水压力。,剪切应力,反应了液

10、体流动时的内摩擦，表现为黏性。,法向应力,反应了液体所受的挤压和拉伸，表现为弹性。,小分子液体流动时，三个法向应力相等，因此小分子液体无弹性，只有黏性。,三个法向应力分量互不相等是高分子液体具有弹性的表现，因此高分子液体称黏弹性液体。法向应力差函数可作为描述液体弹性的物理量。,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,212 速度梯度和形变速率,单位时间内发生的形变。在剪切流场中称剪切速率（shear rate）；在拉伸流场中称拉伸速率（elongation rate）。,形变速率,图8-7 简单剪切流场示

11、意图,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,剪切流场下，流速方向与速度梯度方向垂直；拉伸流场中流速方向与速度梯度的方向平行。,图8-8 一维单轴拉伸流场（a）和二维双轴拉伸流场（b）,（a）（b）,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,213 表观剪切黏度,图8-9 高分子熔体流动曲线示意图,为,特性：剪切变稀,如何处理？,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering

12、高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,2.1.4 第一、第二法向应力差系数,、,第二法向应力差系数,第一法向应力差系数,图8-11 第1、第2法向应力差曲线,N10，且随剪切速率的增加而增大 N20，绝对值很小，通常可忽略,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,22 假塑性流体的流动规律,221 假塑性流体的流动曲线,图8-13 假塑性高分子液体的流动曲线示意图,第一牛顿区 零剪切黏度 假塑性流动区 第二牛顿区 无穷剪切黏度,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engin

13、eering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,222 计算高分子液体黏度的经验方程,Ostwald-de Wale幂律方程（power law）,幂律公式,流动指数或非牛顿指数,图8-15 几种聚合物熔体剪切应力与剪切速率的关系（测试温度200）,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,大分子构象改变说,23 关于“剪切变稀”和熔体弹性的说明,（a）剪切前（b）剪切后图8-17 大分子链在切应力作用下沿流动方向取向,熵弹性弹性/黏性形变共存,School of Polymer Science&En

14、gineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,第三章 关于高分子液体黏弹性的讨论,31 影响剪切黏度的主要因素,流场参数的影响（温度T；压力p；剪切速度或剪切应力等）大分子结构参数的影响（平均分子量；分子量分布；长链支化度等）物料结构及成分的影响（配方成分）,311 流场参数的影响,温度的影响,Andrade方程（即Arrhenius方程）适用条件：TTg+100,黏流活化能,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,WLF方程 适用条件：TgTTg+100,黏流活化能（flow

15、 activation energy）,黏流活化能：流动过程中，流动单元（链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。,特性：1.反映材料黏度随温度变化的敏感性；2.与分子链结构有关，与总分子量关系不大；3.刚性、极性、或含较大侧基的材料，黏流活化能较高；而柔性较好的线形分子链材料黏流活化能较低。,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,剪切速率和剪切应力的影响,剪切变稀，表征材料的黏-切依赖性。,曲线特征：1）各材料的零剪切黏度高低不同，主要反映平均分子量的差别；2）材料流动性由线性行

16、为转入非线性行为的临界剪切速率不同；3）幂律流动区的曲线斜率不同，即流动指数n不同。,图8-20 几种高分子熔体在200的黏度与剪切速率的关系-HDPE；-PS；-PMMA；-LDPE；-PP,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,312 分子结构参数的影响,平均分子量的影响,Me 临界缠结分子量,Fox-Flory公式,图8-21 黏度与分子量M的关系,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,规律：1.当分布加宽

17、时，物料的黏流温度Tf下降，流动性及加工行为有所改善；2.分子量分布宽的试样，非牛顿流变性较为显著。在低剪切速率下，宽分布试样的黏度，包括零剪切黏度往往较高；随剪切速率增大，宽分布试样黏-切敏感性较大；高剪切速率范围内，宽分布试样的黏度可能反而更低。,分子量分布的影响,支化结构的影响,图8-23 支化与线形高分子材料的黏度,短支化：降低黏度长支化：影响巨大且复杂,313 配合剂的影响,青岛科技大学,填充补强剂：炭黑、短纤维等增强（补强）材料，或各种无机材料软化增塑剂：各种矿物油、低聚物等,1）炭黑的影响,主要作用为：）增黏效应，使体系黏度升高；）使非牛顿流动性减弱，流动指数n值升高。,2）碳酸

18、钙的影响,主要影响：）增多体系内部的微空隙，使材料内部应力集中点增加，加速破坏；）使体系黏度增大，弹性下降，加工困难，设备磨损加快。,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,3）软化增塑剂的影响,主要作用：）增大分子链之间的间距，屏蔽大分子中极性基团，减少分子链间相互作用力。）低分子量的软化增塑剂可使发生高分子发生缠结的临界分子量提高，缠结点密度下降，体系的非牛顿性减弱。,青岛科技大学,32 高分子液体弹性效应的描述,321 可恢复形变SR,黏弹性流体形变及形变回复示意图,School of Polymer Scien

19、ce&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,322 挤出胀大比及口模入口、出口压力降,图8-27 挤出胀大现象的说明,挤出流场中分子链构象发生显著改变的位置：1）口模入口区 2）口模内部模壁附近,挤出胀大比B,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,入口压力降主要由熔体经历弹性形变、储存弹性能引起，可描述熔体弹性高低。出口压力降表征熔体剩余弹性形变的大小。,入口压力降 与 出口压力降,（a）口模直径1mm，表观剪切速率=174s-1（b）口模直径1mm，T180图8

20、-28 聚烯烃弹性体POE的挤出胀大比（a）和入口压力降（b）,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,法向应力差效应是黏弹性流体的典型弹性效应。,青岛科技大学,323 法向应力差描述熔体弹性,图8-29 聚乙烯样品的第一法向应力差随剪切应力的变化,HDPE,2.20105,HDPE,1.68105,16,84,LDPE,4.00105,20,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,第四章 剪切黏度的测量方法,41 毛细管流变仪测

21、量表观剪切黏度,411 毛细管流变仪的基本构造,图8-31 毛细管及压力传感器的安排,恒速型（测压力）恒压力型（测流速）操作简单，测量范围宽,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,412 毛细管内的流场分析,图8-32 熔体在毛细管内的流动分析,1）剪切应力的计算,受力平衡分析：,毛细管壁处的最大剪切应力：,剪切应力计算无需假设流体类型,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,2）剪切速率和黏度的计算，Rabino

22、wich-Mooney公式,牛顿流体，其本构方程为：,剪切速率的测量和计算与流过毛细管的物料种类有关。,利用应力计算公式，则有：,积分得：,根据上式的速度分布，积分求得物料流经毛细管的体积流量Q,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,非牛顿流体，按照Rabinowich-Mooney修正公式计算其在管壁处的剪切速率：,对于符合幂律方程的高分子熔体，公式简化为：,青岛科技大学,式中，n为非牛顿指数。,对照最大应力计算公式，可知：,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科

23、 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,3）入口压力校正，Bagley修正,入口压力降和出口压力降都对剪切应力计算产生影响，但入口压力降的影响更为显著，需进行Bagley校正。,图8-33 料筒与毛细管中物料内部压力分布示意图,实测压力降包含三部分：,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,Bagley校正原理,中心思想：保持毛细管上真实的压力梯度不变，将毛细管虚拟地延长，使入口压力降以相同的梯度降在虚拟延长的长度上。,图8-34 实验确定Bagley修正因子示意图,设毛细管虚拟延长长度为LB，记为：,真实压力梯度应为

24、：,剪切应力计算公式修正为：,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,42 恒速型双毛细管流变仪简介,构造和使用特点：两个相同的料筒，下端分别安装压力传感器。2.两个料筒下方分别安装普通毛细管和零长毛细管。两毛细管的入口区形状相同。3.测量时，两料筒中的柱塞同时以等速推进，将熔体分别挤出两根毛细管。两压力传感器分别测量挤出时的压力变化。4.可直接测量入口压力降。,图8-35 双毛细管流变仪结构示意图,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程

25、 学 院,青岛科技大学,43 锥板型转子流变仪简介,431 锥-板型流变仪测量表观剪切黏度,图8-36 锥-板流变仪结构示意图和球坐标系,锥-板流变仪的优点：1.测量剪切黏度方法简便，数据处理时无需作任何校正。2.计算方法不涉及流体种类。3.锥体旋转速度可以控制到很慢，较容易测出零剪切黏度。4.经过改装，能直接测量法向应力差函数和液体的动态黏弹性。,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,432 锥-板型流变仪测量液体的动态黏弹性,1）高分子液体的动态黏弹性,设高分子液体为线性体，交变应力、应变的振幅为小

26、振幅。对高分子液体施以正弦变化的剪切应变：,应力响应为：,复数剪切速率为：,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,定义高分子液体复数剪切模量为：,其中,贮能剪切模量,损耗剪切模量,损耗正切,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,定义复数剪切黏度为,动态黏度,其中,2）锥-板型流变仪测量液体的动态黏弹性,图8-38 HDPE DMDJ 4309的流变曲线（200）,图8-39 PS STYRON 686的流变曲线（200）,Sc

27、hool of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,44 落球式黏度计的测量原理,图8-40 落球式黏度计示意图1-小球，2-测黏度管，3-加热器，4-外套,小球下落时受到三个力作用：,重力,浮力,Stokes黏性阻力,三力平衡时：,可得，,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,51 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为,

28、511 两类畸变和熔体破裂现象,表面有规畸变，指畸变仅发生在挤出物表面，挤出物整体仍保持平直，畸变呈现某种规律性特征。整体无规畸变，指挤出物不再保持平直，整体发生扭曲畸变，几乎无规律性，严重的甚至发生整体粉碎性破裂，称熔体破裂。,线形聚合物：光滑表面表面有规畸变整体无规畸变支化分子链聚合物：光滑表面整体扭曲畸变整体无规畸变,挤出畸变的分类,畸变的演化顺序,第五章 高分子熔体流动不稳定性,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,图8-41 LDPE熔体挤出物表观随挤出速率的演变，150,青岛科技大学,Sch

29、ool of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,（a）LLDPE-7047,（b）LDPE-2100TN00,图8-42 LLDPE-7047（190）和LDPE-2100TN00（170C）的流动曲线,区别：1.线形聚合物熔体（a）发生表面黏-滑畸变时，流动曲线经常出现不连续突变（曲线断裂和斜率突变）2.支化聚合物熔体（b）发生整体扭曲畸变和熔体破裂时，流动曲线始终保持连续，斜率无突变。,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,（a）LLDP

30、E-7047（190）,（b）LDPE-2100TN00（170）,图8-43 挤出压力随挤出速率发展曲线,区别：1.线形聚合物熔体（a）在超过特定剪切速率后，入口压力降平稳但总挤出压力发生振荡。（不稳定区-口模内）2.支化聚合物熔体（b）在超过特定剪切速率后，入口压力降振荡，但总挤出压力随挤出速率平稳发展。（不稳定区-入口区）,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,1）挤出流场中扰动源位置的分析,扰动（disturbance）的发生可归结为在高速挤出时流场中某个位置出现过度的流动应力集中效应，引起流动

31、失稳和弹性湍流。对于挤出过程，主要指口模入口处、口模壁（界面）处和口模出口处。,图8-44 挤出流场内流动应力集中的位置示意图,512 挤出畸变和熔体破裂机理简要分析,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,流动应力集中效应也反映在流动压力降的分布上。定义入口压力降占总压力降的比例为：,=Pent/（Pent+Pcap）,表8-7 LDPE、LLDPE及共混物在不同流量下入口压力与总压力的比值（190）,青岛科技大学,2）口模入口区的流动失稳强拉伸造成流场紊乱,图8-45 口模入口处的扰动引起熔体破裂示意

32、图,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,3）口模壁处的流动失稳吸附与解吸附，缠结与解缠结,（a）弱缠结，强吸附；Cohesive滑移（b）强缠结，弱吸附；Adhesive滑移图8-46 口模壁附近发生熔体滑动的两种情形,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,513 减轻畸变，提高熔体稳定挤出速率的对策,1）调节口模温度场 由于挤出畸变和熔体破裂是高分子液体弹性湍流行为的表现，因此通过升高温度降低熔体黏弹性是改善

33、流动不稳定性的首选方法。精确控温对改善鲨鱼皮畸变尤为有效。2）改造口模形状及界面状态 由于流场扰动源多位于流道尺寸急剧变化处和界面上，因此口模形状的改变及界面状态变化对熔体流动稳定性有重要影响。3）特种填加剂（如润滑剂、加工助剂、特种填料）添加特殊加工助剂和特殊填料是改善熔体挤出行为常用的方法。助剂和填料的种类可根据扰动源的位置和性质，有的放矢地选择。,图8-49 m-LLDPE/PPA复合料挤出外观随PPA含量的变化（190，表观剪切速率720s1）,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,52 纺丝成

34、型过程中的拉伸共振现象,521 拉伸共振现象及其机理,拉伸共振现象,定义：在熔体纺丝或平膜挤出过程中，当拉伸比超过某一临界拉伸比值时，熔体丝条直径（或平膜宽度）发生准周期性变化的现象。,（a）（b）拉伸比（上）23.2；（下）83.5图8-50 熔体纺丝过程示意图（a）及聚丙烯熔体丝条的约化直径随时间的波动（b）,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,挤出口模的形状和尺寸；纺丝或挤膜工艺条件；熔体本身的弹性行为,青岛科技大学,图8-51 聚丙烯熔体纺丝中，临界拉伸比与口模长径比及熔体温度的关系,522 影响拉伸共振的

35、因素,影响因素,规律：口模长径比越大，临界拉伸比越高，熔体纺丝稳定性好。熔体温度升高，临界拉伸比提高，拉伸共振现象减轻,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,（a）与熔体温度关系图（b）与口模表观剪切速率关系图图8-52 聚丙烯熔体纺丝中，冷却方式对拉伸共振现象的影响,规律：采用等温冷却方式的临界拉伸比比非等温冷却方式的高，等温纺丝工艺的稳定性比低温纺丝工艺的高，拉伸共振现象较轻。,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科

36、技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,第六章 高分子材料典型加工成型过程的流变分析,6.1 压延工艺（辊筒上的成型加工过程）的流变分析,工艺简介,压延成型是生产薄膜和片材的主要方法。它是将高分子材料通过一系列相向旋转着的水平辊简间隙，使物料承受挤压和延展作用，而使其成为规定尺寸的连续片状制品的成型方法。,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,6.1.1 压延设备和基本工艺特性,1-机座；2-传动装置；3-辊筒4-辊矩调

37、节装置；5-轴交叉调节装置；6-机架压延机示意图,辊筒的排列方式,排列的原则是避免各辊筒间的相互干扰，同时还应操作方便，自动供料。,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,影响压延制品质量的因素,压延机的操作原材料设备特性辅助过程,辊温与辊速辗筒的速比辊距与存料量剪切和拉伸,辊温与辊速,热量来源：辊筒提供和剪切生热 产生摩擦热的大小除与辊速有关外，还与物料黏度有关。因此，不同的物料，在相同的辊速条件下，其温度控制就不同；相同配方不同的转速时，其控制温度也不同。,例:0.1mm厚农膜，线速度由40m/min

38、 增大至 60m/min后出现包辊,压延时，物料常粘于高温或高速辊简上；为了使物料能依次贴于辊筒上，避免空气夹入，各辊简的温度一般是依次递增的。各辊的温度差为510。,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,辗筒的速比,压延机相邻两辊筒线速度之比称为辊筒的速比。速比的作用：压延物依次贴于辊筒；更好的塑化；一定的拉伸与取向作用，从所膜厚度减小和质量提高。速比的调节：速比过大，发生包辊现象；或薄膜厚度不匀，内应力过大。速比过小，不吸辊，以致空气带入。,辊距与存料量,辊距：厚度控制，按压延机辊筒的排列次序自前而

39、后逐渐减小。存料：存料的多少与存料旋转的状态宜接影响产品质量。,存料过多，薄膜表面出现毛糙和云纹，并容易产生气泡；同时增大负荷。存料过少，引起边料的断裂，产品横向厚度不均匀，薄膜有气泡；压力不足造成薄膜表面毛糙。,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,剪切和拉伸,压延时压延物的纵向会受很大的剪切应力和一些拉伸应力，所以高聚物分子会顺着薄膜前进方向发生分子定向，以致薄膜在物理机械性能上出现各向异性。这就是在压延成型中的定向效应。,定向效应的程度随滚筒线速度、滚筒之间的速比、辊隙存料量以及物料表观黏度等因素

40、的增长而增长，随辊筒温度和辊距以及压延时间的增加而下降。,6.1.2 压延工艺分析,对称的开炼机、压延机辊筒间隙中的坐标系,简化假定,对称性过程牛顿型流体忽略惯性力及重力,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,速度分布,速度分布示意图,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,压力分布,定义无量纲坐标x：,其中,辊筒间胶料内的压力分布,物料脱离辊筒表面的位置，亦称出料处,两辊筒间最小辊距处，物料内压力仅为最大压力的一

41、半,压力极大点,不同值时辊筒间压力分布的变化,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,6.2 挤出成型的流变分析,典型螺杆挤出机结构示意图,螺杆工作部分,吃料段：固体输送压缩塑化段：物料在剪切力场与温度场作用下开始熔融、塑化，由固态逐渐转变为粘流态。匀化计量段：螺槽的截面是均匀。从压缩段来的粘流状物料在此进一步压紧、塑化、拌匀，并以一定的流量和压力从机头口型流道均匀挤出。机头：核心是口模，是制品横截面的成型部件，相当于一个长径比很小的管状口模。,螺杆挤出机要稳定工作，必须使口模的输送能力与匀化计量段的输送

42、能力相匹配。,6.2.1 挤出设备及流变分析,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,压力分布示意图,机筒与螺杆的平面展开及坐标系的安排,物料在螺杆中的流动形式,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,螺杆输送能力,机头的通过能力,K流通系数,螺杆挤出机稳定挤出状态,通过螺杆部分的流量一定要与通过机头口型区的流量相等；物料在螺杆部分的压力降也要与在机头口型区的压力降相等,螺杆匀化计量段与机头口型的工作特性理论曲线,青

43、岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,6.2.2 实行稳定挤出过程的流变学考,不稳定挤出系数,物理意义：匀化计量段入口处的物料压力发生波动时，挤出机相应的流量变化,流变学措施,1，首先要求尽量减少不稳定源。匀化计量段入口处的压力应尽可能保持稳定，这要求加料口供料速度必须均匀 2，在其它条件不变的情况下，应适当地减少螺槽深度h 和减少机筒与螺杆突棱的间隙 3，一般小口径机头K 值较小，u值较小，易实现稳定挤出。4，物料粘度越大，挤出不稳定系数u越小，因此在保证质量的前提下，适当降低挤出温度，有助于稳定挤出。

44、5，适当增加螺杆长度 L，也会使挤出不稳定系数下降,讲清以下基本概念：流变性；剪切应力；法向应力；法向应力差；剪切速率；拉伸速率；速度梯度；零剪切黏度；表观剪切黏度；拉伸黏度；假塑性；剪切变稀；非牛顿指数；黏流活化能；可恢复形变；弹性柔量；挤出胀大比；复数剪切模量；贮能模量；损耗模量；损耗正切；复数黏度；动态黏度；挤出畸变；熔体破裂；流动应力集中效应；模壁滑移现象；拉伸共振。,定义剪切流动，拉伸流动，表观剪切黏度，法向应力差系数，拉伸黏度。,介绍高分子液体奇异的流变性质和高分子黏流态的特征及流动机理,讨论温度，压力对剪切黏度的影响。比较不同材料的黏流活化能，说明为何不同材料采用不同加工方法。,

45、青岛科技大学,讲解重点,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,讨论分子量、分子量分布、支化结构对高分子液体流动性的影响。,简要介绍描述高分子液体弹性效应的几个物理量。,讲解用毛细管流变仪测量高分子液体剪切黏度和熔体弹性的原理和实验方法。,讲解熔体流动不稳定性的表现、发生的原因和可能的克服方法。,青岛科技大学,讲解重点,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,青岛科技大学,School of Polymer Science&Engineering 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院,thank you for your attention,