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眾所(suǒ)周知,液體在平直圓管內受切應力而發生流動的形式有層流(liú)和湍流兩(liǎng)種。層(céng)流時,液體的流動是按許多彼此平行的流層進行的;同(tóng)流(liú)層之間的各點速度彼此相同,但各層之間的速度卻不一定相等,而且(qiě)各層之間也無明顯的相互影響。如果增大流動速度而使(shǐ)其超過一定的臨界值,則流動形式轉為湍流,湍流時液體各點速度的大小和方向都隨時間而變化。層流與湍(tuān)流的區分以雷諾(nuò)數(Re)為準,在成型(xíng)注塑加工 過程(chéng)中,聚合物熔(róng)體流動時的雷諾數常小於10,而聚合物分散(sàn)體的雷諾數常不止此數,但(dàn)也不會大於2100,所以它(tā)們的流動(dòng)基本上是層(céng)流。
為了研究(jiū)流體流動的性質,可以(yǐ)把層流流動看成是一層層彼此相鄰的薄層液(yè)體沿(yán)外力作用方向進行的相對(duì)滑移。液層是平直的平麵,彼此之(zhī)間完全平行。F為外(wài)部作用於整個液體的恒(héng)定剪切力,A為向兩(liǎng)端無(wú)限(xiàn)延伸(shēn)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(zuò)用,在管(guǎn)(管(guǎn)壁(bì))摩擦力壁上液層的移動速(sù)度為零。這樣(yàng),就(jiù)可以用剪切速率來代替速度梯度,兩者在數值上相等。
牛頓(Newton)在研究低分子液體的流動行為時,發現切應力(lì)和剪切速率之間存在著一定關(guān)係,說明液層單位(wèi)表麵上所加的(de)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(niú)頓黏度。它是液體自身所(suǒ)固有的屬性,反(fǎn)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,不同液體的n值不同,與(yǔ)其分子結(jié)構和所處溫度(dù)有關。描述了層流液體簡單的規律,通常稱為牛頓流動定律,即牛頓(dùn)流體的(de)流變方程。凡(fán)液體(tǐ)層流時符合牛頓流動定律的通稱(chēng)為牛頓流體(tǐ)。其特征為應變隨應力作(zuò)用的時間線性地(dì)增(zēng)加,且黏度保(bǎo)持(chí)不變,應變具有不可逆性質,應力解(jiě)除後應變以變形保持(chí)下來。
由於大分子的長鏈結構和纏結,聚合物熔體的流動(dòng)行為遠比低(dī)分子液體複雜。在寬廣(guǎng)的剪切(qiē)速(sù)率範圍內,這(zhè)類液體流動時剪切力和剪切速(sù)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從牛頓流動定律。通(tōng)常把流動行為不服從牛頓流動定律的流動稱為非牛頓型流(liú)動,具(jù)有這種流動行為的液體稱為非牛頓流體。此時(shí),大多數聚合物都表現為(wéi)非牛頓流(liú)體。
塑料成型注塑加工中常用聚(jù)合(hé)物在非牛頓流體狀態剪切速率下的流動曲(qǔ)線。它們已不再是簡單的直線,不(bú)同類型(xíng)流體的流動曲線是向上或向(xiàng)下彎曲的複雜曲線。當作用於假塑(sù)性流體的切應力變化時,剪(jiǎn)切速率的變(biàn)化要(yào)比(bǐ)切應力的(de)變化快得多。而膨脹性流體的流變行為則正好相反,流體中剪切速率的變化比切應力的變化要(yào)慢。很明顯,流體的黏度已不是一個常數,它隨剪切速率或切應力而變化。
因此,將(jiāng)非牛頓流體的黏度定義為表觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提出的所謂指數定律方程是一種較能(néng)反映黏性流體流變性質的經驗性表達式,在有限的範圍內有相當(dāng)好的(de)準確性,且形式簡單(dān)。對一定的成型注塑加工過程來說,剪切速(sù)率總不可能很寬(kuān),因此,指數定(dìng)律在分析液體的流變(biàn)行為、加工的計算以及(jí) 注塑加工設備或模(mó)具的設計等方麵都較成功。該定律認為:聚合物黏性流體在定溫下於給定的剪切速率範圍(wéi)內(nèi)流動時,切應力和剪切速率具有指數函數關係。
表觀黏度表征的是非牛頓流體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(běn)身(shēn)性質及溫度有關外,還受剪切速率影響,這就意味著外力大小及其作用的(de)時間也能改變流體的黏稠性。
在指數流動規律中,非(fēi)牛頓指數n和稠(chóu)度係數K均可由試驗測定。當n=1時(shí),na=K= n,這意味著(zhe)非牛頓流體轉變為(wéi)牛頓流體(tǐ),所以n值可用來反映非牛頓流體偏離牛頓流體性質(zhì)的程度。n<1時,稱為(wéi)假(jiǎ)塑性流體。在注射(shè)成型中,除了熱固(gù)性聚合物和少數熱塑性聚合物外,大多(duō)數聚合物熔體均有近(jìn)似假塑性流體的流變學性質。n>1時,稱為膨脹性流體(tǐ)。屬於膨脹性流體的主要是一些固體含量較高的聚合物懸浮液,以(yǐ)及帶有凝膠結構的聚合(hé)物溶(róng)液和懸浮液(yè),處於較高剪切速率下(xià)的聚氯乙烯糊的流動行為就近似這類流體。
在(zài)一定的成(chéng)型注塑(sù)加工工藝條件下(xià),塑料的剪切速率的範圍通(tōng)常是固(gù)定的,如壓縮(suō)成(chéng)型時的剪切(qiē)速率範圍為1~10s;注射成型時為103~105s-;壓注成型時為102~103s等。對於給定的(de)塑料來說,如果通過實驗求得了在這種剪切速率範圍下的黏(nián)度數據,則對該種塑料在指定 注塑加(jiā)工成型方(fāng)法中的操作難易(yì)程度就能作出初步(bù)判斷。譬如在(zài)注射成型時(shí),如果某一塑料熔體在溫度不大於其降(jiàng)解溫度且剪切速率為103s-的情況下測得其表觀(guān)黏(nián)度為50~500Pa·s,則在注射過(guò)程中將不會發生困(kùn)難(nán)。表觀黏度過(guò)大時,則塑料模的大小與設計就受(shòu)到(dào)較大的限製,同時壓縮塑件很易出現缺陷;過小時,溢料(liào)的現象比較(jiào)嚴重,塑件質量也會產生問(wèn)題。
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