拉伸流动的不稳定性的分析介绍

拉伸流动中的不稳定现象影响生产的稳定，最终影响制品的质量。本小节主要分析拉伸流动不稳定现象的拉伸共振^[14,15]。本小节介绍纺丝过程的拉伸共振现象，讨论发生拉伸共振的影响因素，包括拉伸共振现象、拉伸共振现象的影响因素等两部分。

(1)拉伸共振现象

拉伸共振现象指在熔体纺丝或平膜挤出成型过程（典型的拉伸流场）中，当拉伸比超过某一临界拉伸比(u_L/U₀)_crit时，熔体丝条直径（或平膜宽度）发生有周期性变化，并伴随张力周期性涨落的现象。在喷丝板外约5cm处，观察测量的聚丙烯熔体脉动丝条的变化。图7.4.16给出聚丙烯熔体丝条约化直径直径随时间的变化。d(t)为时间t时丝条的直径，为平均直径。

图7.4.16 聚丙烯熔体丝条约化直径随时间的变化^[13]

(a)u_L/U₀＝23.2(b)u_L/U₀＝83.5

由图7.4.16可见，丝条直径随时间做不太规则的波动变化。拉伸比越大，波动周期越短，波动程度越剧烈。当拉伸比超过最大极限拉伸比(u_L/U₀)_crit时，熔体丝条断裂。在平膜挤出过程中，超过一定的拉伸比，膜带宽度也会出现类似的脉动现象。

拉伸共振现象与熔体挤出破裂现象是完全不同的两种现象。虽然两者都发生在挤出口模的出口区。但是，熔体挤出破裂现象取决于熔体在口模前（入口区）与口模内（模壁附近）的流动和变形状况，它是熔体流动的不稳定性在出口区的表现。而拉伸共振现象则多取决于熔体挤出口模后的拉伸流动，是自由拉伸的丝条或平膜在超过临界拉伸比后发生的尺寸脉动现象。拉伸共振与熔体挤出破裂现象也有联系。熔体从喷丝口模挤出，若挤出速率超过临界剪切速率，熔体挤出物发生畸变。但是，若加以适当拉伸，熔体畸变现象减轻，提高拉伸比还能得到优良的丝条。这一点对纤维纺丝工艺很重要，说明用增加拉伸速率的方法可以减轻纤维中因熔体破裂形成的缺陷。提高拉伸比对拉伸共振现象的影响则不同。一旦超过临界拉伸比(u_L/U₀)_crit发生了丝条脉动，再提高拉伸比只能使脉动加剧，最后导致丝条断裂。

目前，还不很清楚发生拉伸共振现象的原因，相信仍与聚合物熔体的弹性行为有关。可以设想，当拉伸比超出一定范围，熔体内一部分高度取向的分子链，在高拉伸应力下会发生类似橡皮筋断裂状的破裂，使已经取向的分子链解取向，释放出部分能量，而使丝条直径变粗。然后在拉伸流场中，再重新建立分子链取向-断裂-再解取向。如此往复，造成丝条直径发生脉动变化的现象。

曾经有人采用二阶流体模型和广义Maxwell模型讨论过纤维丝条拉伸条件下的稳定性，结论是熔体的弹性会使熔体拉伸流动变得更稳定。Goldin等人在液体射流崩裂实验中也发现，增加液体弹性会使液体射流运动的稳定性提高。但是，这些现象与拉伸共振现象不同。纤维拉伸不是自由射流，拉伸共振现象的出现表明，聚合物熔体的贮能本领（弹性变形本领）是有限的。当拉伸比超出一定范围，过多的弹性变形能将以其他形式释放出来，纤维直径变化现象只是其中之一。由此看来，在黏弹性液体的流动中，液体的弹性究竟起稳定作用还是失稳作用与具体的流场类型有关，不能一概而论。

(2)拉伸共振现象的影响因素

影响拉伸共振现象的因素大致也分为3类：

① 挤出口模的形状和尺寸；(www.xing528.com)

② 纺丝或挤膜工艺条件；

③ 聚合物熔体本身的弹性行为。

图7.4.17给出不同口模长径比聚丙烯熔体纺丝临界拉伸比(u_L/U₀)_crit随熔体温度的变化。由此图可见，口模长径比越大，临界拉伸比(u_L/U₀)_crit越高，说明熔体纺丝稳定性好。这与熔体通过长口模后，熔体温度升高，黏度下降，松弛时间变短，因而提高临界拉伸比(u_L/U₀)_crit，减轻拉伸共振现象。

图7.4.18给出聚丙烯熔体纺丝中，储器直径与口模直径之比(D_R/D)对拉伸共振现象的影响。由图可见，D_R/D比值越大，临界拉伸比(u_L/U₀)_crit越低，说明熔体在口模入口区承受较多的弹性变形，会降低纺丝稳定性。这再一次说明，拉伸共振现象与熔体储存的弹性能多少有关。

实验表明，纺丝成型过程中熔体丝条的冷却方式对拉伸共振现象也有显著影响。分别使用了两种丝条冷却方式做了实验，一是加等温室的等温冷却，二是直接放入空气中的非等温冷却。图7.4.19给出两种冷却工艺临界拉伸比(u_L/U₀)_crit随熔体温度的变化。图7.4.20给出两种冷却工艺临界拉伸比(u_L/U₀)_crit随剪切速率的变化。由此图可见，用等温冷却方式的临界拉伸比(u_L/U₀)_crit比非等温冷却方式的高。说明等温纺丝工艺的稳定性比低温纺丝工艺的高，拉伸共振现象较轻。另外也可看出，当熔体表观剪切速率大时，纺丝的临界拉伸比(u_L/U₀)_crit下降，表明材料经受较强烈的剪切-拉伸变形后，分子链取向较多，则贮存的弹性能多，纺丝过程将变得不稳定。

图7.4.17 不同口模长径比聚丙烯熔体纺丝临界拉伸比随熔体温度的变化^[7]

图7.4.18 聚丙烯熔体纺丝储器直径与口模直径之比对拉伸共振现象的影响^[7]

图7.4.19 不同冷却方式聚丙烯熔体纺丝临界拉伸比(u_L/U₀)_crit随熔体温度的变化^[7]

о等温纺丝（即缓慢冷却）；Δ非等温冷

图7.4.20 不同冷却方式PP熔体纺丝临界拉伸比(u_L/U₀)_crit随剪切速率的变化^[7]