技术分享 | 高分子材料的几种常见的流动现象

新闻资讯 | 2022/4/14

很久以来,流动与变形是属于两个范畴的概念,流动是液体材料的属性,而变形是固体材料的属性。液体流动时表现出黏性行为,产生永久变形,形变不可恢复并耗散部分能量。而固体变形时表现出弹性行为,其产生的弹性形变在外力撤销时能够恢复,且产生形变时储存能量,形变恢复时还原能量,材料具有弹性记忆效应。
通常液体流动时遵从牛顿流动定律——材料所受的剪切应力与剪切速率成正比(σ=0),且流动过程总是一个时间过程,只有在一段有限时间内才能观察到材料的流动。而一般固体变形时遵从胡克定律——材料所受的应力与形变量成正比(σ=Eε),其应力、应变之间的响应为瞬时响应


但是对于形形色色的高分子材料来说,它们既能流动,又能变形;既有黏性,又有弹性;变形中会发生黏性损耗,流动时又有弹性记忆效应,黏弹性结合,流变性并存。这也是高分子材料不同于金属和无机非金属材料最重要的一个本质区别。


作为一个从事注塑行业的技术人员,需要对我们自己所设计,分析及生产的产品所使用的材料有一个深刻的认识,材料有什么样的特性,是怎么流动的,流动的规律是什么,能否控制或利用这种流动规律来实现我们想要达成的目标呢?这是需要我们孜孜不倦地进行研究的。这里介绍几种常见的具有高分子特征的流变现象。


1. 高黏度与“剪切变稀”行为

一般低分子液体的黏度较小,温度确定后黏度基本不随流动状态发生变化,如室温下的H2O的黏度约为10-3Pa·s,而高分子液体的黏度一般很高,一般在102~104Pa·s,表1中列出了部分高分子熔体零剪切黏度0的参考值。另外对于大多数高分子材料液体而言,即使温度不发生变化,黏度也会随剪切速率(或剪切应力)的增大而下降,呈现典型的“剪切变稀”行为。


图2中,一对短管和一对长管中装有两种静止黏度相等的液体,一种为牛顿流体(记为N),如甘油的水溶液,一种为高分子溶液(记为P),如聚丙烯酰胺的水溶液。每对管中液面的初始高度相同。打开底部阀门,令其从短管中流出时,由于两种液体黏度相等,可以看到两管液体几乎同时流尽。而令其从长管中流出时,发现装有高分子液体的管中液体流动速度逐渐变快,P管中的液体首先流尽,这是因为高分子液体在重力作用下流动发生“剪切变稀”效应的缘故。



另外有一些高分子液体,如高浓度的聚氯乙烯塑料溶胶,在流动过程中表现出黏度随剪切速率增大而升高的反常现象,称“剪切变稠”效应。通常把具有“剪切变稀”效应的流体称为假塑性流体,把具有“剪切变稠”效应的流体称为胀流性流体。



2. Weissenberg效应

与牛顿液体不同,盛在容器中的高分子液体,当插入其中的圆棒旋转时,没有因惯性作用而甩向容器壁附近,反而环绕在旋转棒附近,出现沿棒向上爬的“爬杆”现象。这种现象称Weissenberg效应,又称“包轴”现象。出现这一现象的原因被归结为高分子液体是一种具有弹性的液体。在旋转流动中,具有弹性的大分子链会沿着圆周方向取向和出现拉伸变形,从而产生一种朝向轴心的压力,迫使液体沿棒爬升。测量容器中A,B两点的压力得知,对于牛顿流体有PA>PB,对于高分子液体有PA


3. 不稳定流动和熔体破裂现象

实验表明,高分子熔体从口模挤出时,当挤出速率(应力)过高,超过某一临界剪切速率c(或临界剪切应力σc),就容易出现弹性湍流,导致流动不稳定,挤出物发生畸变。畸变可分为表面畸变(表面粗糙,鲨鱼皮,竹节状粘-滑等)和整体畸变(整体扭曲,螺旋扭曲等)。挤出速率很高时,表面畸变和整体畸变同时发生,甚至出现完全无规则的挤出物破碎,称为熔体破裂现象(如下图)。

不稳定流动和熔体破裂也是高分子熔体弹性行为的典型表现。这些现象影响着高分子材料加工的质量和产率的提高。