[科普中国]-剪切流动

基本概念

在剪切力作用下流体的流动称为剪切流动。对聚合物材料而言，在剪切流动中，当应力或应变较大，或应变速率较快时，物料的响应不符合线性粘弹性。聚合物熔体在螺杆和毛细管中受力挤出的情况就属于剪切流动。剪切流动分为稳态剪切流动和非稳态剪切流动。

流体在流动的过程中，其各点的速度并不相同，按作用方式的不同，流动可分为剪切流动和拉伸流动。流体流动时，如果其速度梯度方向与流动方向垂直，则这种流动就称为剪切流动。剪切流动是高分子材料在加工成型过程中最常见、最简单但又最重要的一种流动方式。根据剪切应力与剪切速率之间的关系，剪切流动称为牛顿型流动和非牛顿型流动，相对应的流体分别称为牛顿流体和非牛顿流体。1

高流动性聚丙烯的熔融剪切流动通常，熔体流动速率（MFR）≥20g/10min的聚丙烯树脂被称为高流动性聚丙烯。采用高流动性聚丙烯可以使注塑制品容易成型加工，减少注射缺陷和废品率，在制品加工生产过程中可以降低加工温度、注射压力以及合模力等，从而降低能耗，缩短成型周期，提高产量。高流动性聚丙烯主要用于家电、汽车、包装、运输、办公、日常用品等。近年来，随着聚丙烯生产技术水平的提高，特别是新型高效催化剂的使用及聚合工艺的改进，高流动性聚丙烯产品的开发和应用取得了很大的进展。2

目前，高流动性聚丙烯的生产方式主要有两种：一种为氢调法，通过在聚合阶段增加氢气浓度或使用新型催化剂，从而制备高流动性聚丙烯，对应的产品被称为氢调法聚丙烯（简称 A）；另一种为可控流变法，通过在造粒阶段加入过氧化物使聚丙烯降解，从而制备高流动性聚丙烯，对应的产品称为可控流变法聚丙烯（简称 B）。2

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验颗粒材料在剪切流动中可表现为类似固体或类似液体的力学行为，并会在一定条件下发生相互转化，即类固液转化现象。该现象广泛地存在于雪崩、冰塞、沙丘演化以及山体滑坡等自然现象，以及矿物传输、化工原料混合等工业过程中。在颗粒材料的类固液转化过程中，细观尺度下的颗粒接触模式及其力链结构是宏观尺度本构模型和流动状态的内在因素。由于颗粒材料在类固液转化过程中的强非线性，以及宏观流动形态和细观结构的复杂性，对其力学机理的揭示和转化条件的建立是近年来颗粒材料在物理力学领域的重要研究方向。

颗粒材料呈现不同流动状态的一个典型试验是斜面流动试验，其由下向上分别呈现为类固态、液态，甚至是气态的运动状态。通过斜槽中的颗粒流动试验可确定颗粒材料由稀疏流到密集流、甚至是阻塞的转变过程。在颗粒材料类固液转变的离散元数值模拟中，单剪流动是广泛采用的剪切运动形式。

采用环剪试验可获得颗粒材料更加持续稳定的流动特性。然而，目前对颗粒材料由慢速向快速流动的转化过程的环剪试验研究还未开展。通过设置环剪试验中转速、法向应力等试验条件可改变剪切速率、体积分数等参数，可获得颗粒材料的慢速、快速流动状态及其相互转化过程，从而确定不同流动状态下的力学特性。3