1.7 塑料熔体流动现象及特点

1.7.1 高黏度和剪切变稀

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，水的黏度约为10-3Pa·s。1Pa·s=10P（泊），所以室温下水的黏度为1cP（厘泊）。而非牛顿液体如高分子液体的黏度绝对值一般很高，如表1-3所示。

由表1-3可看出，多数高分子熔体的黏度其绝对值均在102～104Pa·s范围内，为水的黏度的106倍，可见其熔体黏度之大。

另外对大多数高分子液体而言，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。

如图1-13所示，一对短管和一对长管中装有两种静止黏度相等的液体，一种为牛顿型液体（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，为什么呢？

这是因为高分子液体在重力作用下流动速度逐渐加快，产生了剪切速率和剪切应力，在其作用下，高分子液体受到切变作用而黏度变小，这就是“剪切变稀”现象。

“剪切变稀”效应是高分子液体最典型的非牛顿流动性质，对高分子材料加工制造具有极为重要的实际意义。在高分子材料成型加工时，随着成型工艺方法的变化及剪切应力或剪切速率（转速或线速度）的不同，材料黏度往往发生1～3个数量级的变化，是加工工艺中需要十分关注的问题。千万不要将材料的静止黏度与加工中的流动黏度混为一谈。流动时黏度降低使高分子材料更容易充模成型，节省能耗；同时黏度的变化还伴随着熔体内分子取向和弹性的发展，这也最终影响产品的外观和内在质量。

也有一些高分子液体，如高浓度的聚氯乙烯溶胶，在流动过程中出现黏度随剪切速率的增大而增大的现象，这称为“剪切变稠”效应。

1.7.2 韦森堡（Weissenberg）效应

与牛顿流体不同，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，这种现象称为韦森堡（Weissenberg）效应，这是1944年Weissenberg首先在英伦帝国学院公开演示的，如图1-14所示。

出现这种现象的原因是由于高分子液体具有弹性。可以想象在旋转流动时，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。分析得知，在所有流线弯曲的剪切流场中高分子流体元除受到剪切应力外（表现为黏性），还存在法向应力差效应（表现为弹性）。测量容器中A、B两点的压力，可以测得，对牛顿型流体有Pa＞Pb；对高分子液体有Pa＜Pb。

利用“包轴”现象可以设计一种圆盘式挤出机（见图1-15），熔融的物料从加料口加入，在旋转流动中沿轴爬升，而后从轴心处的排料口排出。这种机器结构简单，制造方便，性能稳定，用做橡胶加工的螺杆挤出机的喂料装置，可提高混合效果和改善挤出稳定性。

1.7.3 挤出胀大现象

挤出胀大现象又称口型膨胀效应或Barus效应，是指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸di大于口模尺寸D，截面形状也发生变化的现象（见图1-16）。牛顿流体不具有这种效应或很弱，而高分子液体的Barus效应很明显。其产生的原因也归结为高分子液体具有弹性记忆效应所致。熔体在进入口模时，受到强烈的拉伸和剪切形变，其中拉伸形变属于弹性形变。这些形变在口模中只有部分得到恢复。如果口模足够长，则Barus效应就大为减弱，这是因为在口模中流动的时间越长，就越有时间将弹性形变恢复。

实验表明，当挤出温度升高，或挤出速度下降，或体系中加入填料而导致高分子熔体弹性形变减小时，挤出胀大现象明显减轻。

可以理解，挤出胀大现象影响到挤出制品的质量，对挤出成型工艺及挤出口模和机头设计至关重要。

1.7.4 无管虹吸，拉伸流动和可纺性

对牛顿流体，当虹吸管慢慢提高到离开液面后，虹吸现象立即中止；而对高分子液体，当虹吸管慢慢离开液面后，虹吸仍能继续，则称为无管虹吸现象（见图1-17）。还有一种无管侧吸效应，如将一杯高分子溶液侧向倾倒流出，若使烧杯的位置部分回复，以致杯中平衡液面低于烧杯边缘，但是高分子液体仍能沿壁爬行，继续维持流出烧杯，直到杯中的液体全部流出为止（见图1-17）。这些现象都与高分子液体的弹性行为有关，具有弹性行为的流体容易产生拉伸流动，继而产生连续的拉伸形变，具有良好的纺丝性和成膜性。

1.7.5 熔体破裂

试验表明，高分子熔体从口模挤出时，当挤出速度（或应力）过高，超过某一临界剪切速率，就产生弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙。随着挤出速度的进一步加大，可能出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后是完全无规则的挤出物断裂，称为熔体破裂现象（见图1-18）。出现熔体破裂的机理还在进行研究，但有一点可以肯定，就是与熔体的弹性行为有关。

1.7.6 孔压误差和弯流误差

测量流体内压力时，若压力传感器端面安装在低于流道壁面，形成凹槽，则测得的高分子液体的内压力将低于压力传感器端面与流道壁面相平时测得的压力，这种压力误差称为孔压误差（见图1-19）。牛顿流体不存在孔压误差，无论压力传感器端面安装的与流道壁面是否相平，测得的压力值相等。高分子流体产生孔压误差，其原因是认为在凹槽附近，流线发生弯曲，但法向应力差效应有使流线伸直的作用，于是产生背向凹槽的力，使凹槽的压力传感器测得的液体内压力值小于平置时测得的值。同样地，在高分子流体流经一个弯形流道时，流体对流道内侧壁的压力大于对外侧壁的压力。

1.7.7 次级流动

高分子液体在均匀压力下通过非圆形管道流动时，往往在主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域性的环流，称为次级流动。在通过截面有变化的流道时，有时也发生类似的现象（见图1-20，图1-21）。

一般认为，牛顿型流体旋转时的次级流动是离心力造成的，而高分子液体的次级流动方向往往与牛顿流体相反，是由于黏弹力和惯性力综合形成的。这种反常的次级流动在流道与模具设计中十分重要。

1.7.8 湍流减阻效应、触变性和震凝性

湍流减阻效应是指在高速的管道湍流中，若加入少许高分子物质，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，则管道阻力将大为减少的现象，又称Toms效应。湍流减阻的机理目前尚不完全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子的拉伸特性有关。具有弹性的大分子链的取向改变了管流内部的湍流结构，使流动阻力大大减少。管流减阻在石油开采、输运、抽水灌溉、循环水系统等中具有重要的意义。

触变性（thixotropic）和震凝性（rheopectic）指在等温条件下，某些液体的流动黏度随外力作用时间的长短发生变化的性质。黏度变小的称触变性，变大的称震凝性。一般来说，流体黏度的变化同体系内的化学、物理结构的变化有关，因此发生触变效应时，可以认为原有的某种结构遭到破坏，或者结构破坏的速率大于恢复的速率；而发生震凝效应时，应当有某种新结构形成。