[科普中国]-收敛流动

由于聚合物流体的黏弹特性，聚合物流体从横截面积大的流道（如机筒）进入横截面积小的流道（如毛细管或口模）时，产生收敛流动。这种流动在聚合物流体测试和成型加工中比较常见，且常出现在流道入口处，所以有时也称入口收敛流动。

释义由于聚合物流体的黏弹特性，聚合物流体从横截面积大的流道（机筒）进入横截面积小的流道（毛细管或口模）时，产生收敛流动。这种流动在聚合物流体测试和成型加工中比较常见，如图所示，聚合物流体的流动边界流线类似酒杯。在收敛流动中，聚合物流体受到较大的剪切和拉伸变形，产生弹性储存和黏性损耗，进而引起人口压力降和能量损失。利用计算机对聚合物流体的收敛流动行为进行有限元模拟，无须进行实验观察，能够方便和直观预测收敛流动行为，因而受到极大的关注。与人口压力降和剪切黏度的测试相比，测试拉伸黏度的实验仪器价格昂贵、操作复杂和测试范围较低，因而基于入口压力降和剪切黏度来预测拉伸黏度也是研究的重点。此外，收敛流动能够引起熔体破裂，从而影响成型加工和制品品质。1

收敛流动的实验研究和理论分析在聚合物流体的入口收敛运动过程中，人口压力降是流体在人口区域的压力损失，是表征聚合物流体收敛流动和黏弹性的重要参数。测试人口压力降通常有2种方法：短口模法或者Bagley校正法。Liang和Ness采用不同长径比的毛细管通过Bagley校正法测定聚苯乙烯熔体的入口压力降，结果表明人口压力降随着剪切速率的增大而增大，二者关系基本符合指数规律。Mullner等研究研究三元乙丙橡胶通过缝式毛细管的收敛流动，发现入口压力降随着表观剪切速率的增加而增加，人口压力降与总压力降的比随着毛细管长径比的增加而增加，并且不受温度的影响。Baldi等研究发现高密度聚乙烯（PE-HD）熔体的人口压力降随着流道收缩比增加而增加。Kim和Dealy用长径比小于0.5、流道入口角大于90°的新型口模来直接测定入口压力降，为避免因为熔体挤出受到的壁面的影响，该流道的出口处设计较宽，实验表明用此口模测得的入口压力降较为合理，小于普通口模经过Bagley线性校正方法测得的入口压力降，但是和普通口模经过Bagley二次函数校正方法测得的入口压力降接近。2

收敛流动的有限元模拟不必制造模具和进行实验观察，借助聚合物流体的本构方程，有限元模拟能快速简便的预测在不同流道形状中聚合物流体的收敛流动。许多研究者采用不同的本构方程来对聚合物流体的收敛流动进行有限元模拟。Thompson等结合速率应变张量和相对速率旋转张量提出经验的本构方程，并基于该方程对聚合物熔体进行有限元模拟，发现涡流区长度随着拉伸黏度的增大而增大，随着第一法向应力的增大而减小。Kim和Lyu评价不同黏弹性本构方程（PTT、高斯、POM、简化的黏弹性和广义牛顿流体本构方程）对收敛流动的影响，发现基于PTT或者高斯本构方程预测的压力降更大，并且显示在中心区域出现强烈的速度变化；而基于PTT、高斯或POM本构方程能够看到明显的涡流，然而基于简化的黏弹性或者广义牛顿流体本构方程没有出现涡流。Azaiez等运用Giesekus、FENE-P和PTT本构方程去模拟流道收缩比4:1的平面收敛流动，结果表明单模态本构方程的模拟结果与实验差别较大，而多模态本构方程的模拟结果与实验结果有很好的一致性，然而对于人口收敛区法向应力差的预测与实验结果有些差别。Favero等采用分裂应力张量的方法和平衡张量的方法去解决高weissenberg数的问题，基于开放程序OpenFOAM，使用不同的多模态本构方程（线性Max—well，Oldroyd-B，Giesekus，PTT，FENE-P，FENECR和POM）进行流道收缩比4:1的平面收敛流动，结果发现网格疏密对模拟结果基本无影响，该方法显示出很好的稳定性和有效性。Wang等基于有限元模拟对比XPP、PTT-XPP和简化的修正双随体POM本构方程在收敛流动的预测能力，简化的修正双随体POM本构方程在高剪切速率下具有XPP本构方程的稳定性，在拉伸应变速率下具有PTr-XPP本构方程的稳定性。Clemeur等采用双随体多参数POM本构方程去预测聚合物熔体的流动行为，与实验结果比较表明该模拟能很好地描绘和区分支化和线形高分子材料的流变行为。3

基于收敛流动的拉伸黏度预测由于人口压力降和剪切黏度的测试方法成熟，操作简单，因而一些学者提出入口压力降的方程进而推导出拉伸黏度的表达式，来预测聚合物流体的拉伸黏度。Cogswell基于对收敛流动的认识，提出利用毛细管流变仪获取的入口压力降和剪切黏度来计算聚合物流体的拉伸黏度，发现Cogswell方程的预测与Meissner拉伸流变仪的实验结果相差不大。由于基于毛细管流变仪的实验数据计算得到的拉伸黏度的方法简单，而且预测的拉伸应变速率范围较高（1～50s-1），因而基于人口压力降和剪切黏度是一种衡量聚合物流体拉伸黏度韵简单有效方法。Padmanabhan和Macosko分析基于Cogswell、Binding和Gibson方程预测拉伸黏度的准确性，与3种PE-LD实验结果的对比表明，Cogswell方程的预测与拉伸黏度的实验数据较为接近。Aho等也发现利用Cogswell方程预测PE-LD熔体的拉伸黏度比通过Sentmanat拉伸仪获得的实验结果小。Liang测试PE-LD和线形低密度聚乙烯（PE-LLD）熔体的拉伸黏度，发现基于Liang方程比基于Cogswell方程的预测的拉伸黏度更接近实验结果。Baldi等用熔融纺丝和等温拉伸法测试PE-HD熔体的拉伸性能，发现Cogswell方程预测的拉伸黏度比实验值低。Gotsis和Odriozola采用包含第一法向应力的Binding人口压力降的表达式预测聚苯乙烯熔体的拉伸黏度也比实验值低。Zatloukal和Musil用入口角为90°长径比为0.12的口模测试PE-ID熔体的入口压力降并预测其拉伸黏度，发现基于C09swell、Binding和Gibson方程预测的熔体拉伸黏度比Sentmanat拉伸仪获得的拉伸黏度低。研究者曾采用等效理论分析在收敛流动中的拉伸速率分布，基于最小能原理并通过参数分离建立拉伸黏度的方程。4

减缓收敛流动的措施当剪切速率不大时，聚合物熔体的表面是光滑的。然而，剪切速率超过某一临界值后，挤出物的外观依次出现表面粗糙、尺寸周期性变化，直至破裂成碎片等畸变现象，这种现象称为熔体破裂。一些研究表明：由于收敛流动区域存在强烈的剪切流动和拉伸流动，因而熔体破裂与收敛流动有密切关系。由于收敛流动也是表征聚合物流体弹性的重要参数，可以采用以下措施来减少流体弹性，进而减缓收敛流动和消除熔体破裂。

（1）改变聚合物流体的分子结构。例如：减少聚合物流体的相对分子质量和分子链支化度。Komuro等研究聚苯乙烯的熔体破裂，发现熔体破裂受拉伸应力影响大，随着熔体的相对分子质量提高而加剧，随着加工温度提高而稍微减缓。Martyn等利用流动双折射、示踪粒子和高速摄像机来观察线形和支化聚烯烃的收敛流动中的应力和速度分布，与聚丙烯熔体相比，PE-LD熔体有明显的收敛流动，其人口收敛行为受流动速率的影响也比较明显。wang等基于有限元模拟发现涡流长度随着支化聚合物的支化数的增加而增大。

（2）优化加工工艺条件。例如：减少剪切流动速率，选择适当加工温度等。减少剪切流动速率能够减少流体的弹性，进而减缓收敛流动。实验研究发现混炼胶和乙烯醋酸乙烯酯共聚物熔体的入口压力降随着剪切速率的增加而增加，随着温度的升高而减小。然而PE-LD熔体发现的涡流长度随着温度的升高先增大后减小。

（3）改变人口收敛区域的流道形状。例如：适当减小流道入口角、增加流道收缩比、入口收敛区域采用圆角过渡，可以减少或消除涡流，减少收敛流动和熔体破裂。Liang发现混炼胶的入口压力降随着流道人口角的增大先减少然后增大，在75。达到最小值。Feng等发现当流道入口角在120°时，围涎树纤维填充PE-HD复合材料熔体（纤维含量为20%）的入口压力降最小。Meller等研究发现当流道人口角有180°减小到120°时，聚乙烯熔体破裂程度减缓，并且圆角过渡也有利于减缓熔体破裂现象。Wang等发现乙烯醋酸乙烯酯共聚物熔体的入口压力降随着流道收缩比的增加而增加。Hertel和Mnnstedt发现PE-LD熔体的涡流长度随着流道收缩比的增加而增大。Mitsoulis也基于多模态K—BKZ本构方程对聚合物溶液进行不同收缩比的收敛流动进行有限元模拟，

（4）在流道入口收敛前端设置特殊结构。考虑到在管道的中心位置，拉伸速率最大。因而在流道的人口收敛前段设置特殊结构，来增加剪切速率与拉伸速率之比，进而减少收敛流动和熔体破裂。Goutille和Guillet研究2种苯乙烯丁二烯的共聚物收敛流动，发现在人口区域设置滤网，能消除收敛流动引起的熔体速率和应力的不均，减小拉伸速率对剪切速率的比值，从而消除熔体破裂。Ayadi等的研究发现：在人口收敛区域加入不锈钢杆，增加在人口处的剪切速率与拉伸速率的比值，进而减少线性聚二甲硅氧烷熔体破裂的振幅，然而增加熔体的压力降。2

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学