不稳定流动和熔体破裂

出处：按学科分类—工业技术中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第22页（2636字）

挤出成型塑料材料时，常常会见到这种现象：在低剪切速率或低剪切应力范围时，挤出的液流具有光滑的表面和均匀的形状；但当剪切速率或剪切应力增加到某一数值时，挤出的液流表面变得粗糙，失去光泽，粗细不均和出现扭曲等，严重时会得到波浪形，竹节形或周期性螺旋形的挤出物，在极端严重的情况下，甚至会得到断裂的、形状不规则的碎片等，见图1－29。

图1－29 PMMA于170℃不同应力下发生不稳定流动时的挤出物试样

这种挤出物表面出现凹凸不平或外形发生畸变以至支离或断裂的总称叫做熔体破裂。其起因由于挤出时所用的剪切应力过高，以致熔体各点所表现的弹性应变不一致，从而使挤出物在弹性恢复过程中出现畸变以致断裂的现象。

熔体破裂是液体不稳定流动的一种现象。液体在管壁上的滑移也是不稳定流动的一种现象。在推证如式(1－37)等流动方程时都假设贴近管壁一层液体的流速为零(即不流动)。然而，经过许多研究证实，塑料熔体在高剪切应力下的流动情形并不如上所述，而是贴近管壁一层熔体会发生间断流动，这就称为熔体在管壁上的滑移(以下简称“滑移”)。其原因有二：一是管壁附近的熔体所受到的剪切应力最大，因而管壁附近熔体的粘度最低(对假塑性液体而言)；另一是流动过程中的分级效应使高分子材料中低相对分子质量级分较多地集中到管壁附近。这两种作用使得管壁附近的熔体粘滞性降低。还有资料表明，滑移的程度不仅与塑料材料的品种有关，而且还与采用的润滑剂和管壁的性质(指管壁材料与粗糙度)有关。这种滑移的结果，使管道内的流速增大，影响到流量的稳定性(实际生产中表现为制品质量的稳定性)，使挤出物的膨胀不均匀；还会影响到用上述流动方程的计算结果。

剪切速率分布的不均匀性还使液体中弹性能的分布沿径向方向存在差异，剪切速率大的区域分子链的弹性形变和弹性能的储存较多，液体中弹性能的不均匀分布导致在大致平行于速度梯度的方向上产生弹性应力。当液体中产生的弹性应力一旦增加到与粘滞流动阻力相当时，粘滞阻力就不能再起平衡弹性应力作用，液体中弹性应力间的平衡遭到破坏，随即发生弹性回复作用。在这种情况，按雷诺准数作为判据应该是层流状态的高分子液体就可能发生湍流。这就是弹性对层流的干扰现象。在这种场合下判别液体的流动状况就得使用弹性雷诺准数［即用式(1－2)作为判据］。

不稳定流动还有一种表现形式，即在挤出物表面产生“鲨鱼皮症”。其特点是在挤出物表面上形成很多细微的波，类似于鲨鱼皮。引起这种现象的原因主要是：熔体在管壁上的滑移和熔体离开口模时，口模对挤出物产生的拉伸作用。据研究得知：这种症状不依赖于口模的进口角或直径，而且只在挤出物出口的线速度达到临界值时才出现；该症状在相对分子质量低、相对分子质量分布宽、挤出温度高和挤出速率低时不很容易出现；奇怪的是这种症状与口模光滑程度和制模材料的关系不大。

在挤出成型过程中，塑料熔体在导管内流动时所受剪切应力作用的历史不尽相同，因此在离开导管后所出现的弹性恢复就不可能一致，这也是发生不稳定流动和熔体破裂现象的原因之一。如果弹性回复力超过熔体强度，则挤出物将出现表面粗糙，螺旋形等不规则形状(不是鲨鱼皮症)的畸变以至断裂。可以认为，熔体破裂现象是塑料熔体产生弹性形变与弹性回复的总结果，是一种整体现象。这种整体现象还与塑料材料的性质，剪切应力和剪切速率的大小、液体流动管道的几何形状等因素有关。

非牛顿性愈强的线型高分子材料(如PP、HDPE、PVC等)，由于流速分布曲线呈柱塞形，液体在入口区域和导管中流动时的剪切作用是引起不稳定流动的主要原因。非牛顿较弱的塑料材料(如聚酯、LDPE等)，流速分布曲线是近抛物线型，因而入口端容易产生旋涡流动，流动历史的差异是这类塑料熔体产生不稳定流动的主要原因。

熔体破裂只在管壁处剪切应力或剪切速率高至临界值时才发生。各种塑料材料出现不稳定流动的临界剪切应力τ_cr约在10⁵～10⁷N／m²数量级，一般为(0．4～3．7)×10⁵N／m²。由于高分子材料的结构因素，使它们出现熔体破裂的难易程度和严重程度相差很大。几种塑料材料产生不稳定流动时的临界剪切应力τ_cr和临界剪切速率值见表1－5。