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眾所周知,液體在平直圓(yuán)管內受(shòu)切應力而發生流動的形式有層流和湍流兩(liǎng)種。層(céng)流時,液體的流動是按許多彼此平行的(de)流層(céng)進行的;同流層之間的(de)各點速度彼此相同,但各層之間的速度卻不一定相等,而且各層之間也(yě)無明顯(xiǎn)的相互影響。如果增大流動速度而使其超過一定的臨界值,則流動形式轉為湍流,湍(tuān)流時液體各(gè)點速度的大小和方向都隨時間而變化。層流與湍流的區分以雷諾(nuò)數(Re)為準,在成(chéng)型注塑加工 過程中,聚合物熔體流動時的雷諾數常(cháng)小於10,而聚合物分散體的雷(léi)諾數常不止此數,但也不會大於2100,所(suǒ)以它們的流動基本上是層流。
為(wéi)了研究(jiū)流體流動的性質,可(kě)以把(bǎ)層流流動看成是一(yī)層層彼此相鄰的薄層液體沿外力作用方向進行的相對滑移。液層是平直的平麵,彼此之間完全平行。F為外部作用(yòng)於整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無(wú)限延伸的液層麵積(jī)。管壁附 dv 近液層同時受到液體黏性阻力和管壁摩擦力的作用,在管(管壁)摩擦力壁上液層的移動速度為零。這樣,就可以用剪切速率來代替速度梯度,兩者在數值上相(xiàng)等。
牛頓(Newton)在研究(jiū)低分子液體的流動行為時,發現切應力和剪切(qiē)速率之間存在著一定關(guān)係,說(shuō)明液層單位表麵上(shàng)所(suǒ)加的切應力r與液層間的速度梯度成正(zhèng)比,n為比例常數,稱為牛頓黏(nián)度。它(tā)是液體自身所固有的屬性,反映了液體的黏稠性,n的(de)大(dà)小表征液體抵抗外力引起形變的能力,不(bú)同液體的n值不同,與其分子結構和所處溫度有關。描述了層流液體簡單的規律,通常稱(chēng)為牛頓流動定律,即牛頓流體的流變方程。凡液體層流時符合(hé)牛頓流動定律的通稱為牛(niú)頓流體。其特征為應(yīng)變隨應力(lì)作(zuò)用的(de)時間線性地增加,且黏度保持不變,應變(biàn)具有不可逆(nì)性質,應力解除(chú)後應變以變形保持下來。
由於(yú)大分子(zǐ)的長鏈結構和纏結,聚(jù)合物熔體的流動行為遠比低分子液體複雜。在寬廣的剪切速率範圍內,這類(lèi)液(yè)體流動時剪切力(lì)和(hé)剪切速率不再成比例關係,液體的黏度也不是一個常數,因而聚合物熔體的流變行為不服(fú)從牛頓(dùn)流動定律。通常把(bǎ)流動(dòng)行為不服從牛頓流動(dòng)定律的流動(dòng)稱為非牛頓型流動(dòng),具有這種流動行為的液體稱為非牛(niú)頓流體。此時,大多數聚合物都表現為非牛頓流體。
塑料成型注(zhù)塑加工中常用聚合物在(zài)非牛頓(dùn)流體狀態剪切速率下的流動(dòng)曲線(xiàn)。它們已不再是(shì)簡單的直線,不同類型流體的流動曲(qǔ)線是向(xiàng)上或向下彎曲的複雜(zá)曲線。當作用於假塑性流體的切應力變化時,剪切速率的變化要比切應力的變(biàn)化快得多。而膨脹性流體(tǐ)的流變行為則正好相(xiàng)反,流體中剪切速率的變化比切應力的變化要慢。很明顯,流體的黏度已不(bú)是一個常數,它隨剪切速率或切應力而變化。
因此(cǐ),將非牛頓流體的黏度定(dìng)義為表觀(guān)黏度n。由Ostwald-De Waele 提出的所(suǒ)謂(wèi)指數定律方程是一種較能反映黏性流體流變性質的經(jīng)驗(yàn)性表達式,在有限的範圍內有相當好的準確性,且形式簡單。對一定的成型注塑加工過程來說,剪切速率總不可能很寬,因此,指數定律在分析液(yè)體的(de)流變行為、加工(gōng)的計算(suàn)以(yǐ)及 注塑加工設備或模具的設計等(děng)方麵都較成功。該(gāi)定律認為:聚合物黏性流體在定(dìng)溫下於給定的剪切速率範圍(wéi)內流動時,切(qiē)應力和剪切速(sù)率具有指數函數關係。
表觀黏度表征的是非牛頓流(liú)體(tǐ)在外力作用下抵抗剪切變(biàn)形的能力,表觀黏度除與流體本身性質及溫度有關外,還受剪(jiǎn)切速率影響,這就意味著外力大(dà)小及其作用的時間也能改變流體的黏稠性。
在指數流動規律中,非牛(niú)頓指(zhǐ)數n和稠度係數K均可由試驗測定。當n=1時(shí),na=K= n,這意味著非牛頓流體(tǐ)轉變為牛頓流體,所以n值(zhí)可用來反映非牛頓流體偏離牛頓流(liú)體性質的程度。n<1時(shí),稱為假塑性流體。在注射成型中,除了(le)熱固性聚合物和少數熱塑性聚合物外,大多(duō)數聚合物熔(róng)體均有近似(sì)假塑性流體(tǐ)的(de)流變學性質。n>1時,稱為膨脹(zhàng)性流體。屬於膨(péng)脹性流體的主要是一些固體含量較高的聚合物懸浮液,以及帶有凝膠結構的聚合物溶液和懸浮液,處於較高剪(jiǎn)切速率下的(de)聚氯乙烯糊的流動行為就近似這類流體。
在一定的成型(xíng)注塑(sù)加工工(gōng)藝(yì)條件下,塑料的剪切速率的範圍(wéi)通常是固定的,如壓縮成型時的剪切速率範圍為1~10s;注射成型時為103~105s-;壓(yā)注成型時為102~103s等。對於給定的塑料(liào)來說,如果通過實驗求得了在這種剪切速率範圍下的黏度數據,則對該種塑料在指定 注塑加工成型方法中(zhōng)的操作難易程(chéng)度就能作出初步判斷。譬如在注射成型時,如果某一塑料熔體在溫度不大於其降解溫度且剪切速率為103s-的情況下測(cè)得其表觀黏度為50~500Pa·s,則在注射過程中將不會發生困難。表觀黏度過大時,則塑料模的(de)大(dà)小與設計(jì)就受到較大的限製,同時壓(yā)縮塑件很易出現缺陷;過小時(shí),溢料的現象比較嚴重,塑件質量也會產生問題。
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