分析出口区流体流动的特点及优化方法

在毛细管出口区，黏弹性流体表现出特殊流动行为的问题，主要表现两个方面，一是为挤出胀大行为，二是出口压力降不等于零。

本小节分析毛细管出口区流体的流动特点，包括影响挤出胀大行为的因素和出口压力降两部分。

挤出胀大行为发生的原因主要归为两个方面。首先是由于物料在进入毛细管的入口区曾经历过剧烈的拉伸变形，储存了弹性能。在物料流经毛细管时，这种弹性变形得到部分松弛。若至出口处弹性变形尚未完全松弛，到出口处，由于管壁约束突然消失。在口模外，熔体将继续松弛，表现出挤出胀大现象。其次，在毛细管流道物料流动时，管壁附近除有剪切应力场外，也有因分子链取向产生的弹性变形。在熔体挤出口模后，这部分变形也将松弛。影响挤出胀大比的因素很多。这里用一个实例讨论影响挤出胀大行为的各种影响因素。

实例8.2.1^[5]在温度180℃下，用毛细管流变仪研究高密度聚乙烯的挤出胀大行为。前文曾介绍，挤出胀大行为是黏弹性流体典型的非线性弹性流动现象，可用挤出胀大比B＝d_j/D描写，其中d_j为挤出物完全松弛时的直径，D为口模直径。下面用图8.2.9分别讨论高密度聚乙烯的挤出胀大比d_j/D随毛细管长径比L/D、料筒内径与毛细管直径比D_R/D、料筒内径和剪切速率变化的规律。从4个方面讨论了这个实例。

① 图8.2.9给出高密度聚乙烯挤出胀大比B与毛细管长径比L/D的关系。由此图可见，当L/D值较小时，随着长径比增大，挤出胀大比值减小。反映出毛细管越长，在入口区，物料承受的弹性变形得到越多的松弛。但是，当L/D值较大时，挤出胀大比几乎与毛细管长径比无关，此时入口区弹性变形的影响已不明显。可以得到结论，挤出胀大的原因主要来自毛细管壁处分子取向产生的弹性变形。

② 图8.2.10给出挤出胀大比与D_R/D比值的关系。图中D_R为料筒的内径，D为毛细管直径。此图显示，当D_R/D比值较小时，随着该比值增大，挤出胀大比也增大；当D_R/D值较大时，挤出胀大比变化甚微。这种关系再一次反映出口区熔体的挤出胀大行为与在入口区熔体的流动状态密切相关。

图8.2.9 挤出胀大比B与毛细管长径比L/D的关系^[5]

图8.2.10 挤出胀大比随D_R/D的变化^[5]

③ 由图8.2.11(a)至(c)说明料筒直径变化对挤出胀大行为的影响。当料筒直径D_R较小时，物料在入口区的拉伸变形较小，储存的弹性变形能少。随着料筒直径增大，物料承受的拉伸变形随之增大，反映在出口区，使挤出胀大比增值。当料筒直径D_R已足够大，以至于入口区的流动状况基本不受料筒壁的影响，此时D_R/D比值再变化也对挤出胀大比影响不大。

④ 图8.2.12给出毛细管长径比L/D＝20不同温度高密度聚乙烯挤出胀大比随剪切速率的变化。当L/D确定时，挤出胀大比随升高而增加，随温度T升高而减小。这种变化规律符合聚合物熔体弹性性能的变化规律。

图8.2.11 料筒内径变化对挤出胀大行为的影响

图8.2.12 挤出胀大比随的变化^[5]

聚合物链的结构和物料配方对挤出胀大效应较弱。因此，在同样条件下，天然橡胶的胀大比比丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶要低一些。丁苯橡胶中，凡苯乙烯含量高者，其玻璃化温度高，松弛时间长，挤出胀大比也大些。既然相对分子质量、相对分子质量分布和长链支化度对聚合物流动性和弹性有明显影响，必然也对挤出胀大行为有影响。另外，在物料配方中软化增塑剂有减弱大分子间相互作用、缩短松弛时间的作用，它的填入使挤出胀大比减小。填充补强剂一般用量较多，填入后使物料中相对含胶率下降，尤其像结构性较强的碳黑吸留橡胶多，“自由橡胶”份数减少，也导致挤出胀大比下降。

与挤出胀大现象直接关联的是在毛细管出口处黏弹性流体的剩余压力不等于零，即Δp_exit≠0。这同样反映出黏弹性流体流至毛细管出口处仍具有剩余可恢复弹性能。用于与上同样的实例讨论影响出口压力降的各种影响因素。在温度180℃下，用毛细管流变仪研究高密度聚乙烯影响出口压力降的各种因素。(www.xing528.com)

由于毛细管相当细，因此直接测量出口压力相当困难，一般将压力分布曲线的直线段外推至出口处的压力值定为Δp_exit。既然出口压力与挤出胀大行为密切相关，那么一切影响挤出胀大比B的因素也均以同样的规律影响Δp_exit的变化。

实例8.2.2^[5]从两个方面讨论该实例。

(1)图8.2.13给出出口压力与毛细管长径比的关系

比较图8.2.13和图8.2.9可以看出，与挤出胀大行为相似，当毛细管长径比较小时，Δp_exit随毛细管长径比增大而减小。但是，当毛细管足够长时，在毛细管内入口区的影响充分得到松弛，则出口压力降Δp_exit变化就很小了。

在毛细管出口处采用直接照相、激光扫描或冷凝定型等直接测量挤出胀大比。但是，测量误差较大。原因是不易确定挤出物料完全松弛的位置。挤出物直径易受下垂物重力作用而变细。为减少误差，一个补救方法是让挤出物直接落入冷水槽中冷凝定型。用扁平的缝式毛细管或环缝式毛细管测量出口剩余压力。

(2)图8.2.14给出缝式和环缝式毛细管的示意

由于缝式毛细管宽度较大，压力传感器可直接安装在毛细管上，测出真实的沿毛细管的压力梯度，然后外推得到出口处压力。已经证明，缝式毛细管与普通毛细管的出口压力相当。

图8.2.13 出口压力随毛细管长径比的变化^[5]

图8.2.14 缝式和环缝式毛细管的示意

若要使挤出胀大比与出口压力的测量对流变学研究有益，应将挤出胀大比与法向应力差函数相互联系。在第4章已经介绍相关理论和公式，一些实验验证了这些公式。由挤出胀大比d_j/D求第一法向应力差，式(4.1.11)给出Tanner公式为

τ ₁₁ －τ ₂₂＝2τ_w[2 (d_j/D)⁶－2]^1/2

由出口压力p_exit求第一、二法向应力差，给出Han公式(4.1.12)和式(4.1.13)为