1.7 塑料熔體流動現象及特點

1.7.1 高黏度和剪切變稀

一般低分子液體的黏度較小，溫度確定后黏度基本不隨流動狀態發生變化，如室溫下，水的黏度約為10-3Pa·s。1Pa·s=10P（泊），所以室溫下水的黏度為1cP（厘泊）。而非牛頓液體如高分子液體的黏度絕對值一般很高，如表1-3所示。

由表1-3可看出，多數高分子熔體的黏度其絕對值均在102～104Pa·s范圍內，為水的黏度的106倍，可見其熔體黏度之大。

另外對大多數高分子液體而言，即使溫度不發生變化，黏度也會隨剪切速率（或剪切應力）的增大而下降，呈現典型的“剪切變稀”行為。

如圖1-13所示，一對短管和一對長管中裝有兩種靜止黏度相等的液體，一種為牛頓型液體（記為N），如甘油的水溶液；一種為高分子溶液（記為P），如聚丙烯酰胺的水溶液。每對管中液面的初始高度相同。打開底部閥門，令其從短管中流出時，由于兩種液體黏度相等，可以看到兩管液體幾乎同時流盡。而令其從長管中流出時，發現裝有高分子液體的管中液體流動速度逐漸變快，P管中的液體首先流盡，為什么呢？

這是因為高分子液體在重力作用下流動速度逐漸加快，產生了剪切速率和剪切應力，在其作用下，高分子液體受到切變作用而黏度變小，這就是“剪切變稀”現象。

“剪切變稀”效應是高分子液體最典型的非牛頓流動性質，對高分子材料加工制造具有極為重要的實際意義。在高分子材料成型加工時，隨著成型工藝方法的變化及剪切應力或剪切速率（轉速或線速度）的不同，材料黏度往往發生1～3個數量級的變化，是加工工藝中需要十分關注的問題。千萬不要將材料的靜止黏度與加工中的流動黏度混為一談。流動時黏度降低使高分子材料更容易充模成型，節省能耗；同時黏度的變化還伴隨著熔體內分子取向和彈性的發展，這也最終影響產品的外觀和內在質量。

也有一些高分子液體，如高濃度的聚氯乙烯溶膠，在流動過程中出現黏度隨剪切速率的增大而增大的現象，這稱為“剪切變稠”效應。

1.7.2 韋森堡（Weissenberg）效應

與牛頓流體不同，盛在容器中的高分子液體，當插入其中的圓棒旋轉時，沒有因慣性作用而甩向容器壁附近，反而環繞在旋轉棒附近，出現沿棒向上爬的“爬桿”現象，這種現象稱為韋森堡（Weissenberg）效應，這是1944年Weissenberg首先在英倫帝國學院公開演示的，如圖1-14所示。

出現這種現象的原因是由于高分子液體具有彈性。可以想象在旋轉流動時，具有彈性的大分子鏈會沿著圓周方向取向和出現拉伸變形，從而產生一種朝向軸心的壓力，迫使液體沿棒爬升。分析得知，在所有流線彎曲的剪切流場中高分子流體元除受到剪切應力外（表現為黏性），還存在法向應力差效應（表現為彈性）。測量容器中A、B兩點的壓力，可以測得，對牛頓型流體有Pa＞Pb；對高分子液體有Pa＜Pb。

利用“包軸”現象可以設計一種圓盤式擠出機（見圖1-15），熔融的物料從加料口加入，在旋轉流動中沿軸爬升，而后從軸心處的排料口排出。這種機器結構簡單，制造方便，性能穩定，用做橡膠加工的螺桿擠出機的喂料裝置，可提高混合效果和改善擠出穩定性。

1.7.3 擠出脹大現象

擠出脹大現象又稱口型膨脹效應或Barus效應，是指高分子熔體被強迫擠出口模時，擠出物尺寸di大于口模尺寸D，截面形狀也發生變化的現象（見圖1-16）。牛頓流體不具有這種效應或很弱，而高分子液體的Barus效應很明顯。其產生的原因也歸結為高分子液體具有彈性記憶效應所致。熔體在進入口模時，受到強烈的拉伸和剪切形變，其中拉伸形變屬于彈性形變。這些形變在口模中只有部分得到恢復。如果口模足夠長，則Barus效應就大為減弱，這是因為在口模中流動的時間越長，就越有時間將彈性形變恢復。

實驗表明，當擠出溫度升高，或擠出速度下降，或體系中加入填料而導致高分子熔體彈性形變減小時，擠出脹大現象明顯減輕。

可以理解，擠出脹大現象影響到擠出制品的質量，對擠出成型工藝及擠出口模和機頭設計至關重要。

1.7.4 無管虹吸，拉伸流動和可紡性

對牛頓流體，當虹吸管慢慢提高到離開液面后，虹吸現象立即中止；而對高分子液體，當虹吸管慢慢離開液面后，虹吸仍能繼續，則稱為無管虹吸現象（見圖1-17）。還有一種無管側吸效應，如將一杯高分子溶液側向傾倒流出，若使燒杯的位置部分回復，以致杯中平衡液面低于燒杯邊緣，但是高分子液體仍能沿壁爬行，繼續維持流出燒杯，直到杯中的液體全部流出為止（見圖1-17）。這些現象都與高分子液體的彈性行為有關，具有彈性行為的流體容易產生拉伸流動，繼而產生連續的拉伸形變，具有良好的紡絲性和成膜性。

1.7.5 熔體破裂

試驗表明，高分子熔體從口模擠出時，當擠出速度（或應力）過高，超過某一臨界剪切速率，就產生彈性湍流，導致流動不穩定，擠出物表面粗糙。隨著擠出速度的進一步加大，可能出現波浪形、鯊魚皮形、竹節形、螺旋形畸變，最后是完全無規則的擠出物斷裂，稱為熔體破裂現象（見圖1-18）。出現熔體破裂的機理還在進行研究，但有一點可以肯定，就是與熔體的彈性行為有關。

1.7.6 孔壓誤差和彎流誤差

測量流體內壓力時，若壓力傳感器端面安裝在低于流道壁面，形成凹槽，則測得的高分子液體的內壓力將低于壓力傳感器端面與流道壁面相平時測得的壓力，這種壓力誤差稱為孔壓誤差（見圖1-19）。牛頓流體不存在孔壓誤差，無論壓力傳感器端面安裝的與流道壁面是否相平，測得的壓力值相等。高分子流體產生孔壓誤差，其原因是認為在凹槽附近，流線發生彎曲，但法向應力差效應有使流線伸直的作用，于是產生背向凹槽的力，使凹槽的壓力傳感器測得的液體內壓力值小于平置時測得的值。同樣地，在高分子流體流經一個彎形流道時，流體對流道內側壁的壓力大于對外側壁的壓力。

1.7.7 次級流動

高分子液體在均勻壓力下通過非圓形管道流動時，往往在主要的純軸向流動上，附加出現局部區域性的環流，稱為次級流動。在通過截面有變化的流道時，有時也發生類似的現象（見圖1-20，圖1-21）。

一般認為，牛頓型流體旋轉時的次級流動是離心力造成的，而高分子液體的次級流動方向往往與牛頓流體相反，是由于黏彈力和慣性力綜合形成的。這種反常的次級流動在流道與模具設計中十分重要。

1.7.8 湍流減阻效應、觸變性和震凝性

湍流減阻效應是指在高速的管道湍流中，若加入少許高分子物質，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，則管道阻力將大為減少的現象，又稱Toms效應。湍流減阻的機理目前尚不完全清楚，但肯定與高分子長鏈柔性分子的拉伸特性有關。具有彈性的大分子鏈的取向改變了管流內部的湍流結構，使流動阻力大大減少。管流減阻在石油開采、輸運、抽水灌溉、循環水系統等中具有重要的意義。

觸變性（thixotropic）和震凝性（rheopectic）指在等溫條件下，某些液體的流動黏度隨外力作用時間的長短發生變化的性質。黏度變小的稱觸變性，變大的稱震凝性。一般來說，流體黏度的變化同體系內的化學、物理結構的變化有關，因此發生觸變效應時，可以認為原有的某種結構遭到破壞，或者結構破壞的速率大于恢復的速率；而發生震凝效應時，應當有某種新結構形成。