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眾所周知,液體在平直(zhí)圓管內受切應力而發生流動的形式有層流和湍流兩種。層流時(shí),液體的流動是按許多彼此平行(háng)的流層進行的;同(tóng)流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,而且各層之間也無明顯的相互影響。如果增大(dà)流動速度而使其超過一定(dìng)的臨界值,則流(liú)動形(xíng)式轉為湍流,湍流時液體各(gè)點速度的大小和方向(xiàng)都隨時間而變化(huà)。層(céng)流與湍流的區分以雷(léi)諾數(Re)為準,在成型注塑加工 過程中,聚合物熔(róng)體流動時的雷(léi)諾數常小於10,而聚合物分散體的雷諾數常不止此數,但也不會大於2100,所以它們的流動基本上是層流。
為了研究流體流動的性質,可以把層流流(liú)動看成是一層層彼此相鄰的薄層液體沿外力作用方向進行的(de)相對(duì)滑移。液層是平直(zhí)的平麵,彼此之間(jiān)完全平(píng)行。F為外部作用於(yú)整個液體的恒定剪切力(lì),A為向兩端(duān)無限延伸的液層(céng)麵積。管壁附 dv 近(jìn)液層同時受到液體黏性阻力和管壁(bì)摩擦力(lì)的作用,在管(管壁)摩(mó)擦力(lì)壁上(shàng)液層的(de)移動速(sù)度為零(líng)。這樣,就可以用剪切速率來代替速度梯度,兩者在數值上(shàng)相等(děng)。
牛頓(Newton)在研究低(dī)分子液體的流動行為時,發現(xiàn)切應力和剪(jiǎn)切速率之間存在著一定關係,說明液層單位表麵上所加的切應力r與液層間的速度梯(tī)度成(chéng)正比,n為比例常數,稱為牛頓黏度。它是液體自身所固有的屬(shǔ)性,反映(yìng)了液體的黏稠性,n的大小表征液體抵抗外力引起形變的能力,不同(tóng)液體的n值不同,與其(qí)分子結構和所處溫度(dù)有關。描述了層流液體簡(jiǎn)單的規(guī)律,通常稱為牛頓流動定律,即牛頓流體的流變方(fāng)程。凡液體(tǐ)層流時符合牛頓流動定律的通稱為牛頓流體。其特征為應變隨應力作用的時間線性地增加,且黏度保(bǎo)持不變,應變具有不可(kě)逆性質,應力(lì)解除後應變以變形(xíng)保持下來。
由於大分子的長鏈(liàn)結構和纏(chán)結(jié),聚合物熔體的流動行為(wéi)遠比(bǐ)低分子液體複雜。在寬廣(guǎng)的剪切速率範圍內,這類(lèi)液體流(liú)動時剪切(qiē)力和(hé)剪切速率不再成比例關係,液體的黏度也不是(shì)一(yī)個(gè)常數,因而聚合物熔體的流變行為不服從牛頓流(liú)動定律。通常把流動行(háng)為不服從牛頓(dùn)流(liú)動定律的流動稱為非牛頓型流動,具有這種流動行為的液體稱為非牛頓(dùn)流體。此時,大多數聚合(hé)物都表現為非(fēi)牛頓(dùn)流體。
塑料成型注塑加工中常(cháng)用聚合物(wù)在非牛頓流體狀態剪切速率下的(de)流動曲(qǔ)線。它(tā)們已不再是簡單的直線,不同類(lèi)型流體的流動曲線(xiàn)是向上或向下彎曲的複雜曲線。當作用於假塑性流體(tǐ)的切應力變化時,剪切速率的變化要比切應力的(de)變(biàn)化快得多。而膨(péng)脹性流體的流變行為則正好相反(fǎn),流體中剪切速率的變化比切應力的變(biàn)化要慢。很明顯,流體(tǐ)的黏度已不是一個常數,它隨剪切速率或切應力而(ér)變化。
因此,將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(shù)定律方程是一種較能反(fǎn)映黏性流體流變性質的經(jīng)驗性表達式,在(zài)有限的範圍內(nèi)有相當好的準確性,且形式簡單。對一定的成型注塑(sù)加工過程來說,剪切速(sù)率總不(bú)可(kě)能很寬,因此,指數(shù)定律在分析液體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工設備或模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內流動時,切(qiē)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(tǐ)在外力作用下抵抗剪切變形的能力,表觀黏度除與流體本身性(xìng)質及溫度有關外(wài),還受剪切速率(lǜ)影響,這就意味(wèi)著(zhe)外力大小及其作用的時間(jiān)也能(néng)改變(biàn)流體的黏稠性。
在指數流動規律中,非牛頓指數n和稠度係數K均(jun1)可(kě)由試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流體(tǐ)轉變為牛頓流體,所(suǒ)以(yǐ)n值可用來反映非牛頓流體偏(piān)離(lí)牛頓流體性質的程度。n<1時,稱(chēng)為假塑性流體。在(zài)注射成型中,除了熱(rè)固性聚合物和少數熱塑性聚合物外,大多數聚合物熔體均(jun1)有近似假塑性流體的流變學性質(zhì)。n>1時,稱為膨脹性流體。屬於膨脹性流體的主要是一些固(gù)體含(hán)量(liàng)較高的聚合物(wù)懸浮(fú)液,以及帶(dài)有凝膠結構的聚合物溶液和懸(xuán)浮液,處於較高剪切速率下的聚氯乙烯(xī)糊的流動行為就近似這類流體。
在(zài)一定的成型(xíng)注塑加工工藝條件下,塑料的剪切速率的範圍通常(cháng)是固定的,如壓縮成型時的剪切速率範圍為(wéi)1~10s;注(zhù)射成型時為103~105s-;壓注成型(xíng)時為102~103s等。對於給定的塑料來說,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(jù),則對該種塑料在指定 注塑加工成型方法中的操作難易程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(wēn)度不大於其降解溫度且剪切速率為103s-的情況下測(cè)得其(qí)表觀黏度為50~500Pa·s,則在(zài)注射過程中將不會發生困難。表觀黏度過大時,則塑料模的大小與設計就受到較大的限(xiàn)製,同時壓縮塑件很易出現缺陷(xiàn);過小時,溢料的現象比(bǐ)較嚴重,塑件質(zhì)量也會產生問題。
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