塑料熔体的弹性特性表现

大多数聚合物在流动中除了表现出粘性行为外，还不同程度地表现出弹性行为。这种弹性对聚合物加工与成型有很大的影响。聚合物最常见的弹性行为是端末效应和不稳定流动。端末效应又分为入口压降效应和出口膨胀效应，熔体破裂是不稳定流动的一种极端现象。聚合物熔体在管子入口区域和出口区域的流动如图1-7所示。

图1-7　聚合物熔体在管子入口区域和出口区域的流动

1.入口压降效应

即使所挤出的聚合物熔体只通过一个极端的口模，也会产生预想不到的大的压力降，此种现象称为入口压降效应。入口压降效应产生的主要原因有两方面：一是由于入口截面的减小，使熔体的流动速度增加，熔体动能增加；二是剪切速率的增加导致高弹形变增加，高弹形变使耗能增加。熔体动能的增加和高弹形变耗能的增加使熔体进入小管后的能量消耗增多，从而使熔体在入口端的一段距离内产生较大程度的压力降。

按照流率-压力降方程计算压力降时，考虑入口效应，就需要对该方程进行修正。一种简单可行的方法是将入口端的压力降看成与某一相当长度管子所引起的压力降相等，一般取3倍管径，即以（L+6R）或（L+3D）来代替流率-压力降公式中的L，从而可以计算出包括入口效率在内的管子全长范围内的压力降。

2.出口膨胀效应

出口膨胀定义为充分松弛的挤出物直径D_f与口模直径D之比。出口膨胀效应是液体流动过程中弹性行为的反映。如果剪切流动区L_s很长，应变弹性松弛（应变回复）时间短于流过管子L_s段所需时间时，L_s段中流体的正应力差和剪切流动中贮存的弹性能是引起出口膨胀的主要原因；如果L_s很短，入口效应区L_e中剪切和拉伸作用所贮存的弹性能是引起膨胀的主要原因。

影响入口压降效应和出口膨胀效应的因素是相似的并且是相关的。导致流动中弹性成分增加的因素都会使端末效应更严重。这些影响因素主要有：

（1）聚合物性质　粘度大（即相对分子质量高）、相对分子质量分布窄和非牛顿性强的聚合物出口膨胀效应显著。通常，高弹性模量的聚合物出口膨胀程度降低。

（2）应力或应变速率　应力或应变速率的提高（低于临界值），均会使流动中的可逆弹性应变增大，入口效应区域越长，出口膨胀越严重。

（3）流体温度　低剪切速率（低于不稳定临界值）范围，减低温度，入口区弹性应变显著增加，出口膨胀效应加剧。

（4）管道几何形状　增大管径和长径比L/D、减小入口端的收敛角都能减少流体中的可逆应变成分，从而降低膨胀比。截面几何形状不同的管道在不同方向上的膨胀也有差异。

端末效应对聚合物加工来说通常都是不利的，易导致产品变形和扭曲，降低制品尺寸稳定性；易在制品内引入内应力，降低产品的力学性能。可以通过增大管径、提高长径比L/D、减小收敛角、适当降低加工时的应力、提高加工温度、对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸等方法来减少或消除可逆弹性应变的不利影响。

3.熔体破裂(www.xing528.com)

熔体破裂是挤出物表面出现凹凸不平或外形发生畸变，以至于支离或断裂的总称。它不仅在挤出物表面出现疵端，而且还深入到挤出物（制品）的内部结构，因而具有更严重的破坏效果。这主要是因为挤出时剪切应力（临界应力以上）过高，熔体各点所表现的弹性应变不一，从而使挤出物弹性回复畸变。模具设计时应予以充分考虑，主要在工艺参数与制模材料的选择方面下功夫。

关于熔体的破裂，在以下诸方面已取得共识：

1）熔体破裂只能在模壁处剪切应力或剪切速率高至一定值后才发生。

2）临界剪切应力或剪切速率随口模长径比和挤出温度的升高而增大。

3）对大多数塑料来说，临界剪切应力约为10⁵～10⁶Pa，在这一范围内的差别与塑料的品种及牌号有关。

4）临界剪切应力随聚合物相对分子质量的降低和相对分子质量分布幅度的增大而增加。

5）熔体破裂与口模壁光滑程度的关系不大，但与制模材料的关系较大。

6）如果使口模的入口区呈流线型，常可使临界剪切速率或剪切应力增大10倍或更多。

7）某些聚合物，尤其是高密度聚乙烯，显示有超流动区，即超过正常的临界剪切速率时，也不会引起挤出物的畸变，因此可以推测，这类聚合物可实现超高速挤出。

为避免熔体破裂现象的出现，可采取如下措施：

1）限制剪切应力、剪切速率或流率不能过高。

2）适当提高挤出温度。

3）减小流道收敛角（通常在4°左右），适当增大流道的长径比，并使流道表面流线型化。

4）适当降低相对分子质量，加宽相对分子质量的分布。