毛细管流变仪：墙壁滑动现象

无滑动边界条件是流变分析中的常见假设之一，特别是对于毛细管流变仪中的聚合物熔体流动。在流体动力学中，该假设意味着在毛细管模的壁（也称为滑动边界），熔体相对于边界或墙壁具有零速度。

这种假设始终存在牛顿流体。然而，对于聚合物熔化，特别是对于高分子量熔融聚合物，当壁剪切应力超过临界值时，它们可以在毛细管模壁的壁上滑动。

这是一种不受欢迎的现象，被称为滑移;它降低了表观粘度。此外，它会导致外观扭曲，这意味着挤出物的表面开始变得粗糙。

在使用时，可以了解墙壁滑动很重要流变分析毛细管流变仪．从各种模具获得的具有各种几何（和各种直径）的各种模具中获得的流变数据的不匹配的原因之一可以是壁滑动。

计算墙壁滑移速度并理解测试条件的滑动意味着可以校正滑动效果的流变数据。在挤出工业中，墙壁滑动也是不希望的，因为它会导致挤出物变形，改变最终产品的外观。

外观扭曲的强度可以从总熔体骨折到损失光泽或鲨鱼天然裂缝。生产设计率可能受到这些外观缺陷的严重影响，这意味着清楚地了解墙壁滑动现象是重要的。

此外，还需要对注塑过程进行壁滑移建模和仿真。壁面滑移在小流道中更为显著，这意味着它对微型注射成型尤为重要。

下面的图片说明了不同程度的挤压变形造成的墙壁滑移。具有光滑表面的挤出物如图左起第一张图所示。

图片来源:Dynisco

第一挤出物的加工没有任何壁滑。然而，左侧的第二图像示出了一种挤出物，其具有一些表面粗糙度，其形状与螺纹不同。

这种轻微的表面扭曲是由于偏离无滑动边界条件而发生的，被称为鲨鱼皮。这种情况特别发生在壁面剪切应力大于临界值时，并且在高剪切速率下挤压时发生。

从左侧，第三次挤出物已以更高的剪切速率加工;具体地，剪切应力大于第二临界值，并显示出粗糙和光泽表面的交替模式。

这种类型的外观扭曲通常在高度纠缠的线性聚合物中观察到，这是由于熔融聚合物链在壁面上的振荡流动，称为振荡粘滑行为。

第四，第五和第六图像显示挤出物，其在更高的剪切速率下被处理;图像显示出称为螺旋和波浪挤出物表面的总熔体骨折。最终图像显示挤出物，其具有由高强度壁滑动引起的混沌表面，或者速度曲线变为几乎是塞流。

对于具有窄分子量分布和高分子量的聚合物来说，壁滑动问题更为显着。这些聚合物可能在两个临界应力阶段经历壁滑动的弱和强的步骤。

这种从弱滑脱到强滑脱的转变可能会导致聚合物流动曲线的不连续性。另一种说法是，流动曲线的不连续可能是弱滑移(通常发生在0.1 MPa左右)向强滑移(发生在0.2-0.3 MPa左右)转变的信号。

线型聚合物的弱滑移机制是在聚合物/壁界面处一些链的分离。然而，强滑移的机制是聚合物链突然从吸附在壁面上的单层聚合物链体解缠。

流动曲线（粘滑振荡流动）的不连续性和从弱到强滑的过渡可能是微不足道的，或者可能甚至没有观察到具有宽分子量分布和支链聚合物的聚合物。

滑动在临界剪切线上开始用于这些聚合物，然后滑动沿着剪切线逐渐增加，直到速度曲线变为几乎塞流。

影响挤出物失真和墙壁滑动程度和墙壁滑动的一些因素：

• 工艺条件（温度，流速）：降低流速或增加温度（或以较低剪切速率降低处理速度）降低挤出物失真和壁滑的严重程度
• 模具几何（模具材料结构，入口角度，长度，直径）：降低模具入口角度或增加模具长度或模具直径导致挤出物变形和壁滑的降低。
• 聚合物分子结构（分枝结构，分子量分布，分子量，聚合物的化学性质）：布拉德分子量分布，较低的分子量和支链结构降低了挤出物变形和壁滑的严重程度。

壁面滑移速度应如何确定毛细管流变仪计算？

假设壁面无滑移，则基于经典流体力学的表观剪切速率(假设壁面无滑移)计算如下:

(装备。1)

在哪里问是体积流量（mm3 / s），r_死是毛细管管芯半径（mm），和ẏ_一个是表观剪切速率（1 / s）。

问可以显示为模具（v）内的平均速度的因素，如下所示：

(装备。2)

通过将公式2重放到等式1：

（正式3）

如果在聚合物熔体流中没有发生滑动，则上述两个方程是有效的。但是，如果有墙壁滑动，V需要由(V-V_年代） 如下：

（正式4）

在哪里ẏ_其子as为发生滑移时的表观剪切速率，V_年代墙上的滑动速度是滑动速度。通过将公式3替换为等式4：

（正式5）

在基于等式5的壁滑移发生的情况下，熔融聚合物的流动曲线将是模具半径或直径的函数。

为了计算墙壁滑移速度，需要执行以下步骤：

1. 使用一组不同的半径的模具产生一系列流曲线，但恒定的L / D（以保持压力常数的效果）。
2. 在给定的剪应力值下，绘制表观剪切速率与反半径的关系图。这个情节叫做穆尼情节。
3. 在给定剪应力时，滑移速度为图中斜率的四分之一(Mooney图)。
4. 在其他剪切应力中重复测试并计算每个特定剪切应力的滑移速度。
5. 制作滑动速度与剪切应力的曲线。

下面的图表显示了来自Dynisco的数据毛细管流变仪（LCR）用于使用各种模具测量壁滑速的测量。使用具有不同直径的三组模具（1mm，2mm和3mm）获得流动曲线。对于每个模具直径，选择了4,10和20的三个L / D比。

在线性低密度聚乙烯（LLDPE）材料在190℃和剪切速率范围为10-2901 / s的情况下进行所有实验。欧洲杯足球竞彩图1示出了每组管芯的流动曲线（步骤1）。

图1所示。LLDPE材料的流量曲线使用各种模具。欧洲杯足球竞彩图片来源:Dynisco

月球图如图2所示。这些是明显的壁剪切应力与各种壁剪切应力不同L / D的逆半径以及使用各种模具，如步骤2所示。

图2。默尼情节。图片来源:Dynisco

增大剪应力也会使拟合曲线的斜率增大，说明壁面滑移速度是剪应力的一个因子，且随剪应力的增大而增大。

图3。壁面滑移速度与表观剪应力关系图。图片来源:Dynisco

图3为三组不同L/D模具的剪应力与壁面滑移速度图。

可以使用图3来了解临界剪切应力和壁滑速度的计算。如图所示，在用于模具的特定剪切应力（临界剪切应力）时开始急剧增加。

参考

1. Filip，P.，Hausnerova，B.，Sanetrnik，D.和Hnatkova，E.，2019年5月，5月。高度填充的粉末注射成型化合物的壁滑依赖性毛细管模具几何形状。在AIP会议课程中（第2107号，第1号，第1页，第030005）。AIP发布LLC。
2. Aho, J.， Boetker, J. p .， Baldursdottir, S.和rantanten, J.， 2015。流变学作为评价创新剂型熔体可加工性的工具。国际药学杂志，494(2)，pp.623-642。
3. Hausnerova，B.，Sanetrnik，D.和Paravanova，G.，2014年，5月。高度填充粉末注射成型化合物的壁滑移：流动通道几何形状和粗糙度的影响。在AIP会议诉讼程序中（第1599号，第1号，第518-521页）。美国物理研究所。
4. Sajjadi焦燕雄。2016。模具材料对新型聚合物加工助剂欧洲杯足球竞彩对鲨鱼皮性能的影响。材料科学与工程，4(9欧洲杯足球竞彩)，p欧洲杯线上买球p.17-27。
5. 陈勇，罗伟，李勇，邹慧，梁敏，曹勇，2014。聚乙烯树脂中的熔体流动不稳定性。高分子材料科学与欧洲杯线上买球工程，36 (5)，pp. 652 - 658。
6. Deaely，J.M.和Wissbrun，K.F.，2012年。熔体流变学及其在塑料处理中的作用：理论与应用。Springer科欧洲杯线上买球学与商业媒体。
7. Hatzikiriakos，S.G.，2012.熔融聚合物的壁滑。聚合物科学的进展，37（4），PP.62欧洲杯线上买球4-643。
8. Hristov，V.，Takacs，E.和Vlachopoulos，J.，2006年。表面撕裂和壁滑挤出高度填充的HDPE /木粉复合材料。聚合物工程与科学，46（9），PP.1204欧洲杯线上买球-1214。
9. Chien，R.D.，Jong，W.R.和Chen，S.c。，2005年。考虑到墙面滑动效果的微观通道流动的流变行为的研究。微观力学和微能学报，15（8），P.1389。

该信息的来源、审查和改编自Dynisco提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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