

爬杆效应 爬杆效应是粘弹性流体在外力作用下表现出的典型非牛顿流体行为,因法向应力差作用而产生。该现象由韦森堡于1948年首次发现[2],在学术界也被称为韦森堡效应(Weissenberg Effect)或法向应力效应。其基本表现为:当旋转杆浸入高分子溶液或熔体时,流体克服离心力沿杆爬升形成凸形液面,这与牛顿流体因惯性力外流的特性形成鲜明对比。工业领域已将该效应应用于电线包裹工艺改进和聚合物熔体静电纺丝技术,同时与挤出胀大、无管虹吸并列为非牛顿流体三大奇异流变特性。 法向应力差是爬杆效应的核心驱动力,由粘弹性流体固有的弹性特征产生。当流体受旋转剪切时,沿流动方向产生第一法向应力差(N1),该应力分量在径向形成压力梯度,抵消离心力与重力作用。高分子链在流动中的取向与拉伸导致应力各向异性,引发轴向拉伸应力支撑流体爬升。实验表明,分子量分布差异可使不同材料的爬升高度相差数倍。在圆锥板粘度计实验中,旋转中心区域表现出最大法向应力梯度,对应最高流体爬升高度。对比实验显示:牛顿流体旋转时液面下凹,而1%聚丙烯酰胺水溶液可使液面凸起高度达3厘米。烧杯旋转实验进一步揭示了类似现象,当容器底部圆盘旋转时,自由表面呈现中心隆起特征 。
专利CN2024***提出利用爬杆效应改进高分子熔体静电纺丝技术。通过转针机构施加剪切力,法向应力差产生垂直压力增强喷嘴供料能力,使聚乳酸等材料的加工温度降低20-30℃,有效避免热降解。传统电线包裹工艺中,该效应已替代沙包线工艺,实现塑料熔体直接包覆导体。
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------ 巴拉斯效应 巴拉斯效应(Barus effect)又称出模膨胀、离模膨胀、挤出胀大或弹性记忆效应,是高分子材料加工过程中出现的流变学现象。该效应表现为粘弹性熔体通过挤出模具后,挤出物尺寸超过模口的现象,常见于高聚物与非牛顿流体。 其成因与熔体脱离模具时应力释放相关,导致高分子链弹性回缩。当流体从毛细管流出时,射流直径与毛细管直径的比值称为模片胀大率。该效应直接影响挤出成型制品的尺寸精度,需在口模设计阶段进行补偿。
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------ 无管虹吸 无管虹吸(tubeless siphon),是指不借助器件来产生虹吸现象。虹吸可以说是现代生活中非常重要的一个发现发明,因为虹吸的使用使得我们的抽水马桶成为可能。虹吸可以说是重要的,而无管虹吸也相应领域内有重要应用。 对于牛顿流体来说,在虹吸实验时,如果将虹吸管提离液面,虹吸马上就会停止。但对高分子液体,如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液,或聚醣在水中的轻微凝肢体系等,都很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器拔起时,可以看到虽然管子己不再插在液体里,液体仍源源不断地从杯中抽出,继续流进管里。甚至更简单些,连虹吸管都不要,将装满该液体的烧杯微倾,使液体流下,该过程一旦开始,就不会中止,直到杯中液体都流光。这种无管虹吸的特性,是合成纤维具备可纺性的基础。 某些软物质也可以实现无管虹吸现象。软物质是指其某种物理性质在小的外力作用下能产生很大变化的凝聚态物质 ,典型的例子包括液晶、高分子体系、胶体、微乳液等 .软物质的结构和性质主要不是由内能 ,而是由熵来决定。
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非稳态流动
非稳态流动指流体流动参数随时间变化的流动类型,具体表现为流速、温度、压强等物理量无法保持恒定状态。该现象广泛存在于工程领域,例如,聚合物注射成型过程中熔体流速增大且温度下降。
与非稳态流动相对,稳态流动中参数不随时间变化。
两者是流体力学中描述流动状态的一对基本概念,且可以随着时间发生转变。例如,聚合物熔体在注射成型过程中,在弹性形变达到平衡之前,总形变速率由大到小变化,属非稳态流动;但在弹性变形达到平衡后,就只有黏性形变随时间延长而均衡地发展,流动即进入稳定状态。因此,非稳态流动与稳态流动随着时间的变化也发生互变。
数学上,非稳态流动由纳维-斯托克斯方程描述,该方程在非稳态流动中时间导数项不为零,通常需通过数值方法求解。
在材料加工领域,聚合物注射成型过程中,聚合物熔体从开始注射到注射完毕,其中的熔体流速不断增大,温度不断下降,属于典型的非稳态流动。
数值模拟与实验研究相结合是深入理解和预测非稳态流动现象的关键手段。数值模拟方法包括求解非定常纳维-斯托克斯方程,以及采用尺度自适应模型(SAS)以提高对非稳态流动的预测精度。实验研究则可采用示踪法来显示流动结构。
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