流变学思考题

1、聚合物有哪些流动类型？如何分类? （1）按雷诺准数分：层流（稳流）、湍流（紊流）（2）按作用方式分：剪切流动：产生横向速度，梯度场的流动；拉伸流动：产生纵向速度，梯度场的流动 （3）按流动曲线分：牛顿型流动，非牛顿型流动

2、非牛顿型流体有何特点?通常可将非牛顿型流体分为哪几类？ ①纯粘性流体： 流体切变速率只依赖于所施加的切应力，而与切应力施加的时间长短无关。（2）粘弹性流体③有时间依赖性的流体 流体切变速率不仅依赖于所施加切应力的大小，而且还依赖于切应力施加的时间长短。

3．假塑性流体有何特点？试画出其流动曲线。

当流动很慢时，剪切粘度为常数，随着剪切速率的增大，剪切粘度反常地减少。流动曲线弯向切变速率坐标轴。粘度随切应力、剪切速率增大而降低，故称“剪切变稀”。

4、影响聚合物剪切粘度的因素有哪些?它们对粘度的影响如何?

实验条件和生产工艺条件（温度T、压力p、剪切速率γ或剪切应力σ等）；物料结构及成分（配方成分）；大分子结构参数（平均分子量、分子量分布、长链支化度等）。温度：聚合物的粘度随温度升高而降低。温度越接近玻璃化温度，温度的变化对粘度的影响越大。剪切速率和剪切应力对高分子液体剪切粘度的影响主要表现为“剪切变稀”效应。假塑性流体的粘度随剪切速率升高而下降。原因是：聚合物分子链在流场中的取向，使流动阻力减少。分子结构参数的影响：分子量越大，分子间力越大，粘度就大，可塑性小，流动性就差。分子量分布对流动性有影响。分布窄的，分子链发生相对位移的温度范围较窄，粘流温度Tf较高；分布宽的，分子链发生相对位移的温度范围较宽，粘流温度Tf较低，流动性和加工性能较好。压力对高分子液体流动性的主要影响是：压力增高，材料流动性下降，粘度上升。配合剂的影响：填充补强材料加入到高分子材料后，使体系粘度上升，弹性下降，硬度和模量增大，流动性变差。软化增塑材料的作用则是减弱物料内大分子链间的相互牵制，使体系粘度下降，非牛顿性减弱，流动性得以改善。

5、对流动性影响较显著的配合剂有哪两类?它们对流动性有何影响？

对流动性影响较显著的配合剂有两大类：填充补强材料，软化增塑材料。填充补强材料加入到高分子材料后，使体系粘度上升，弹性下降，硬度和模量增大，流动性变差。 软化增塑材料的作用则是减弱物料内大分子链间的相互牵制，使体系粘度下降，非牛顿性减弱，流动性得以改善。

6．在挤出成型过程中，为什么会出现挤出胀大现象？

挤出胀大现象是被挤出流体具有弹性的典型表现。在口型内部的剪切流动场中，分子链除发生真实的不可逆塑性流动外，还有非真实的可逆弹性流动，也引起构象变化。高分子材料通过口型的流动，是分子链发生相对位移的粘性流动与构象变化引起的弹性流动的综合。挤出胀大现象表征着流动后材料所储存的剩余的可恢复弹性能的大小。

第五章 流变学基础方程

2．试述另一种全导数形式的连续性方程（质量守恒律）式(5－8)的物理意义。 质量的总变化量

D由 Dt两部分组成：

是由时间变化而引起的质量变化，是由于场的不稳定性引起的质量变化，t是局部项。vx是由空间位置改变而引起的质量变化，是由于场的不vyvzxyz均匀性引起的质量变化，是迁移项。

5．了解运动方程的物理意义及应用范围 运动方程实质上与牛顿力学第二定律相似。 左边括号内第一部分

vx：表示速度随时间的变化率，又称局部加速度。左边括号内第二tDv部分（其余三项）：是由场的不均匀性引起的加速度，又称迁移加速度。惯性力项：

Dt反映单位时间内、单位体积流体的动量增量。

右边的物理意义：p 静压力项，反映静压力对动量的影响。  粘性力项，反映

流体粘性对动量的影响。g重力项，反映重力的动量的影响。 综上所述，运动方程的物理意义可看作：惯性力=静压力+粘性力+重力 7．了解能量守恒方程的物理意义。 （1）CvDT 单位时间内某一点的温度变化 Dt由传热引起的温度变化，即空

（2）

22T2T2TqkTkTkx2y2z2间位置变化所引起的温度变化。

p（3）TTv这是膨胀功引起的变化。

ρ（4）

:v机械功变为热能所引起的温度变化。

综上所述，流体中某一点的温度变化，是热传导、膨胀功和机械功作用的结果。

8．聚合物流体在两平行平板之间流动，其速度和温度是如何分布的？

由图5－5中的速度分布和温度分布图可知，在无限大平板间的等温拖曳流中，速度分布为

线性分布，即速度分量Vx沿y方向线性变化，在上板处流速为V0，下板处流速为零而温度分布为抛物线分布，在流道y=H/2温度最高，接近两板处流体温度与板的温度相等，等于Tw。

在流道温度升高的原因是由于粘性流体耗散外部能量所致。因此在流动过程中两块大板要保持预先设定的温度不变，必须加以冷却，将热量导出流体。这也提醒我们在实际加工中，设定加工设备的机筒温度，一定要考虑到机筒内物料的真是温度要比设定的温度要高许多，以免引起物料“烧焦”。 9．聚合物流体在圆管流动，其剪切应力、速度和温度是如何分布的？分别指出它们的最大、最小值的位置。当幂律流体的非牛顿指数n不同时，其速度分布有何不同？ 管壁处物料的流速为零，温度为Tw；

流速和物料温度均在管道轴心处取极大值，轴心处料温要比管壁温度高许多。n<1的假塑性流体的流前呈柱塞状，n<1的胀流性流体的流前呈前突状。

对于牛顿型流体，管道内的速度分布是按二次抛物线规律变化的，而温度分布则是按四次抛物线抛物线规律变化的。从管壁到轴心线，物料温度增长的速率比速度的变化快得多。

第六章 流变测量学

1．如何用落球粘度计测定零切粘度η0?

落球式粘度计用于测量透明液体粘度。将待测溶液放入恒温槽，放入不锈钢小球，令其自由下落，记录下落距离S所需时间t，由此计算溶液粘度。

小球速度v的测量一般采用光电测速装置，测量小球恒速通过一定距离S所需的时间t，于是粘度等于：

2gR2bst9S

由于R、b、g、S已知，如s变化不大， 则上式可简化为：Kt所以测粘度问题转化为测时间的问题。粘度正比于落球时间。 2．为什么会产生入口压力损失?应如何校正？

对于粘弹性流体，当物料进入毛细管时，存在着一个很大的入口压力损失△pent 。这个压力损失是粘弹性流体流经截面形状变化的流道时的重要特点之一，是由于物料在入口区经历了强烈的拉伸流动和剪切流动，以至于储存和损耗了部分能量的结果。

物料在毛细管内流动时，同一横截面内各点的剪切应力分布并不均匀，轴心处为零，而管壁处为最大值。

熔融指数：仪通过在柱塞上预置一定重量，测量在规定温度下规定时间内流过毛细管的流量。从而比较物料相对分子量的大小，判断适用何种成型加工工艺。通常物料流量大，熔融指数高，则相对分子量小，多适于注塑成型工艺；若物料流量小，熔融指数低，说明其相对分子量大，多适于挤出成型工艺。

4．为什么会产生挤出胀大行为?影响产生挤出胀大比的因素有哪些？

原因：发生挤出胀大的原因主要有两个：一是物料进入毛细管的入口区曾经历过剧烈的拉伸变形，储存了弹性能。这种弹性变形在物料流经毛细管时得到部分松弛，到出口处由于

管壁约束突然消失，熔体在口模外继续松弛，表现为挤出胀大现象。二是物料在毛细管管壁附近会因分子取向产生弹性变形，这部分变形也将在熔体挤出口模后松弛。

影响挤出胀大比的因素：1. 长径比L/D，L/D值较小时， L/D↑，B↓；L/D值较大时， B 几乎与L/D无关。2. DR / D比值，当DR / D比值较小时， DR / D ↑，B ↑ ；当DR / D比值较大时， B 变化甚微。3、r与T，L/D确定时，r↑B↑，T↑B↓

4. 高分子链结构和物料配方，一般线形柔性链分子 B 较弱；分子量、分子量分布及长链支化度对B有影响。物料配方中软化增塑剂使B减小；填充补强剂导B下降。

第七章 挤出成型过程的流变分析 1．试述螺杆挤出机的工作原理。

2．通常挤出成型工艺过程包括哪三个阶段？ 1. 塑化2. 挤出成型3. 冷却定型 3．挤出成型的主要工艺参数有哪些?

(1) 温度(2) 压力(3) 挤出速率(4) 牵引速度

4．根据物料在挤出过程中的变化，可将螺杆工作部分划分为哪些区域？这些区域各有什么作用？（1） 加料段（固体输送段）输送物料（2） 压缩段（塑化段）压实、熔融、塑化、排气（3） 挤出段（计量段、均化段）进一步压紧、塑化、搅拌均匀，并以一定的流量和压力从机头口形流道均匀挤出。

5、熔料在螺槽中的流动由以下4种流动组成：

1. 正流 （拖曳流）Q 拖曳流，这是熔料沿螺槽向机头方向的流动，它是料筒表面作用到熔体上的力而产生的流动。其流率用Q拖曳流表示。2. 压力流 Q 压力流，也叫逆流，其方向与正流相反，它是由机头、分流板、滤网等对熔体的反压引起的流动。其流率用Q压力流表示。压力流为负值，其实为反流，实际的速度分布应为Vz1的直线速度分布和Vz2的抛物线速度分布的叠加。3. 横流 Q 横流，也叫环流，这是一种与螺纹方向垂直的 、在螺槽内的环形流动。这种流动对总的挤出量影响不大，故一般不计，但对熔体的传热、混合、塑化影响较大，也消耗一定能量，其流率用Q横流表示。 4） 漏流 Q 漏流，它是由机头、分流板、滤网等对熔体的反压引起的流动，是一种通过螺棱与料筒形成的间隙δ0沿螺杆轴线方向向料斗方向的流动。 δ0在一般情况下很小，其流率Q漏流在数量上比Q正流小很多 。

Q= Q 拖曳流+ Q 压力流+ Q 漏流。其中拖曳流量为正流量，主要取决于转速N；压力流与漏流为负流量，其大小取决于压差Δp和物料粘度η0 。螺杆的几何参数W、h、R、θ、δ均起着重要作用。

5．物料在机头中的流动与在螺槽中的流动有何不同?物料在机头的流动速度与什么因素有关？

物料在机头中的流动及流速分布：在螺槽中的流动：呈螺旋状前进 进入机头流道时：由螺旋运动变为直线运动 流动速度分布：呈抛物线状

6．何谓螺杆特性线、机头特性线、挤出机工作点？

7．挤出成型过程的稳定性与哪些因素有关？实行稳定挤出应采取哪些措施？

措施：1．均化段入口处的压力p1应尽可能保持稳定，加料口供料速度必须均匀；2．适当减少螺槽深度h和机筒与螺杆突棱的间隙δ；3．调节机头系数K ，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，u越小，因此在保证质量的前提下，适当降低挤出温度，有利于稳定挤出；5．适当增加螺杆长度L ，也会使不稳定挤出系数下降。

熔体破裂：当挤出速度超过某一极限值时，会产生不稳定流动，挤出物将变得不光滑、粗细不均、没有光泽、表面出现粗糙的鲨鱼皮状。如果继续增大切应力和切变速率，熔体将呈现波浪形、竹节形或周期螺旋形，甚至断裂成不规则的碎片或小圆柱块，这种现象称为熔体破裂。类型：低密度聚乙烯型（LDPE）破裂特征是先呈粗糙表面，当超过临界剪切速率发生熔体破裂，呈现无规破裂状。属于此类的材料多为带支链或大侧基的聚合物。高密度聚乙烯型 （HDPE）破裂特征是先呈粗糙表面，随着剪切速率提高逐步出现有规则的畸变，剪切速率很高时才出现无规破裂。属于此类的材料多为线形分子聚合物。

8．挤出破裂是如何产生的？挤出破裂受哪些因素影响？

产生：造成熔体破裂现象的机理十分复杂，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场中的取向和解取向、缠结和解缠结及外部工艺条件诸因素有关。当外力作用速率很大，外界赋予液体的形变能远远超出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、消耗表面能是一种形式，即发生熔体破裂。

因素可分为三类：一是口模的形状和尺寸； 二是挤出成型过程的工艺条件； 三是挤出物料的性质。

9避免或减轻熔体破裂的措施：(1) 适当降低分子量，加宽分子量分布；(2) 适当升高挤出温度；(3) 稍微降低挤出速度，并使速度分布均匀；(4) 用喇叭形的口型；(5) 在口模上加一挡板，破坏旋转流动；(6) 加入填充补强剂，可降低弹性，减轻破裂；(7) 挤出后适当牵伸，可减轻或避免破裂。

第八章 注射成型过程的流变分析 1．注塑过程包括哪些工序？

★注射过程由一个主循环和两个辅助工序组成。温度、压力、时间是注射成型过程的三个主要变量。

主循环：合模引料阶段；充模阶段；保压阶段；倒流阶段；凝封阶段；冷却阶段；开模阶段。

辅助工序：制品顶出，后处理；物料预塑，进料

2．一般螺杆式往复注射机及模具的功能区段可分为哪几个区段？

塑化段：注射机喷嘴以前的区段。物料在其中熔融、塑化、压缩并向前输送，流变情况与挤出成型过程相同。注射段：由喷嘴、主流道、分流道、浇口组成，物料在其中的流动同在毛细管流变仪中的流变行为相似。充模段： 熔体进入模腔后，发生复杂的三维流动以及不稳定传热、相变、固化等过程，流动情况十分复杂，对该区流变行为的研究还在经验阶段。

3．试述聚合物熔体充模过程的机理。

熔体进入模腔与较冷空气接触，形成一个粘度很高的前沿膜。该膜后面的熔体会以比膜运动速度更高的速度追上膜。一是受到熔膜壁的阻止，不能直线前进，只能转向模壁而很

快被冻结。 二是冲破熔膜壁，形成新的前沿膜。在充模过程中，上述两种过程是交替出现的。

充模区段的流变分析：等温注射，Δp与lgQ几乎成之比，压力降随流动速率减小而平稳下降。非等温注射，存在着一个最小体积流率Qmin，当Q＜ Qmin时，熔体一进入模腔就全部凝固，再高的压力也不能充模；而当Q＞＞ Qmin时，流率很高，熔体与模壁来不及热交换，因此接近于等温注射。

充模过程中，模腔内的压力降是十分重要的参数。一般希望该压力降越小越好。

最小压力降：一是可以减小压力梯度，减小制品的冻结应力，提高制品尺寸稳定性；二是可降低锁模力，提高安全系数。

模腔内压力降极小值，要使Δpmin尽可能小，可以采取的措施有：

1. 提高熔体温度T1和模具温度T0；

2. 选择凝固温度Ts较低的物料和热扩散系数α较小的物料。

4．注射成型制品中的残余应力是如何产生的？残余应力可用什么方法消除？

①伴随骤冷淬火而产生的骤冷应力；②由于收缩不匀产生的构型体积应变；③在分子取向中冻结了的应力，“冻结分子取向” 。淬火骤冷应力有时会通过制品内部产生气泡或凹痕而消除，否则要用退火来消除。构型体积应变是由于制品的几何形状所造成的不同收缩而引起的，只能用退火来消除。

5．注射成型制品中为什么会产生分子取向？影响分子取向的因素主要有哪些？分子取向对制品的物理性能有什么影响？

原因：进入模腔的高温物料接触到冷模壁后，产生冷却皮层，冷却皮层有绝热作用，使贴近的那层物料不立即凝固，在剪切应力作用下继续向前流动。若高分子链一端被冻结在皮层内，而另一端仍向前流动，必然造成分子链沿流动分析取向。保压时间越长取向程度越大。这种取向被冻结下来残留在注射制品中，称为冻结分子取向。注射过程中不希望有冻结分子取向。

影响分子取向程度的因素：1.模具温度↑取向程度↓2.模腔厚度↑取向程度↓ 3.注射压力↑取向程度↑4.保压时间↑取向程度增大到一定程度趋于平稳 5.料筒温度↑取向程度增大到一定程度反而下降

影响：平行于取向方向，抗拉强度提高，脆性消失，抗冲强度也提高。 垂直于取向的方向上，抗拉强度稍有降低，抗冲强度也有所降低。