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眾所周知,液體在平直(zhí)圓管內受切應(yīng)力而發生流動的形式有層流和湍流兩種。層流時,液體的(de)流(liú)動(dòng)是按許多彼此平行(háng)的流層進行的;同流層之(zhī)間的各點速度彼此相同,但各層之間的速度卻不一定相等(děng),而且各層之間也無明顯的相互影響。如果增大流(liú)動速度(dù)而使其超過一定的(de)臨界值(zhí),則流動形式轉為湍流,湍流時(shí)液體各點速(sù)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數(Re)為準(zhǔn),在成型注塑加工 過程中,聚合物熔體流動(dòng)時的雷諾數常小(xiǎo)於10,而聚合物分散體的雷諾數(shù)常不止此(cǐ)數,但也不會大於2100,所以它們的流動基本上是(shì)層流。
為了研究流體流動的性質,可以把層流流動看成是一層層彼此相鄰的薄層液體沿(yán)外(wài)力(lì)作(zuò)用方向進行的相對滑移(yí)。液層是(shì)平直的平麵,彼此之間完全平行。F為外部作用於整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無限延伸的液層麵積。管壁附 dv 近液層(céng)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(shàng)液層(céng)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)在研究低分子(zǐ)液(yè)體的(de)流動(dòng)行為時,發現切應力和剪切速率之間存(cún)在著一定關係,說明液層單位表麵上所加(jiā)的切應力r與液層間的速度梯度成正比,n為比例常數,稱為牛頓黏(nián)度。它是液體自身所固有的屬性,反映了液體(tǐ)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(dān)的規律,通常稱(chēng)為牛頓流動定律,即牛(niú)頓流體的流變方程。凡液體層流時符合牛頓流動定律的通(tōng)稱為牛頓(dùn)流體。其特征為應變隨應力作用的時間線(xiàn)性地增加(jiā),且黏度保持不變,應變具有不可逆性質,應力解除後應變(biàn)以變(biàn)形保持下來。
由於大分(fèn)子(zǐ)的(de)長鏈結構和纏結(jié),聚合(hé)物熔體的流動(dòng)行為遠比低分子液體複雜。在寬廣(guǎng)的(de)剪切速率(lǜ)範圍內(nèi),這類液體流動時剪切力和剪切速率不再成比例關(guān)係,液(yè)體的(de)黏度也不是一個常數,因而聚合物(wù)熔體的流變行為不(bú)服從牛頓(dùn)流動定律(lǜ)。通常把流動行為不(bú)服從牛頓流動定律的流動稱為非牛頓型(xíng)流動,具有這種流動行為的液體稱為非牛(niú)頓流體。此時(shí),大(dà)多數聚合物都表現為非牛頓流體。
塑料成型(xíng)注塑加工中常(cháng)用(yòng)聚合物在非(fēi)牛頓流體狀態剪切速率下的流動曲線。它們已不再是簡單的直線,不同類型流體的流動曲線是向上或向下(xià)彎曲的複雜曲線。當(dāng)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(qiē)應力的變化快得多。而膨(péng)脹性流體的流變行為則正好(hǎo)相反(fǎn),流體中剪切速率的變化比切(qiē)應力的變化要慢。很明顯,流體的黏度已不是一個常數,它隨剪切(qiē)速率或(huò)切應力而變化。
因(yīn)此,將(jiāng)非牛頓流體的黏度定義為表觀黏(nián)度n。由Ostwald-De Waele 提出(chū)的所謂指數定律方程是一種較能反映黏性流體流變性質的經驗性表達式,在有限的範圍(wéi)內有相當好(hǎo)的準確性(xìng),且形式簡單(dān)。對一定的成(chéng)型注塑加工過程來說,剪切(qiē)速率總不可能很寬,因此,指數定律在分析液體(tǐ)的流變行為(wéi)、加工的計算以及 注塑加工設備或模具的設計等方麵都(dōu)較(jiào)成功。該定(dìng)律認為:聚合(hé)物黏性流(liú)體在定溫下於給定(dìng)的剪切速率範圍內流動時,切應力和剪切速率具有指數函數(shù)關係。
表觀黏度表征的是非牛頓流(liú)體在外力作用下抵抗剪切變形的能力,表觀黏度除與流體(tǐ)本身性(xìng)質及溫度有關外,還受(shòu)剪切速率影(yǐng)響,這就意味著(zhe)外力(lì)大小及其作用的時間也(yě)能改變流體的黏稠性。
在指數流動規律中,非牛頓指數n和稠度係數K均(jun1)可由試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流體轉變(biàn)為牛(niú)頓流體,所以n值可用來反映非牛頓流體偏離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為假塑性流體。在注(zhù)射成(chéng)型中,除了熱(rè)固性聚合物和少數熱塑性聚合物外(wài),大多數聚合物熔體均有近似假塑性流體的流(liú)變學性質。n>1時,稱為膨脹性(xìng)流體(tǐ)。屬於膨脹性流體(tǐ)的主要是一些固體含量較高的聚(jù)合物懸浮(fú)液,以及帶有凝(níng)膠結構的聚合(hé)物溶液和懸浮液,處於較高剪(jiǎn)切速率下的聚氯乙烯(xī)糊的流動行為就近似這類流體。
在一定的成型(xíng)注塑加工工藝(yì)條件下,塑料的剪切速(sù)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1~10s;注射成型時為(wéi)103~105s-;壓注成型時(shí)為102~103s等。對於給(gěi)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度(dù)數據,則對該種塑料在指定 注塑加工成型方法(fǎ)中的操作難易程(chéng)度就能作出初(chū)步判斷。譬如在注射成型時,如果某一塑(sù)料熔體在溫度不大於其降解溫度且剪切速率為103s-的情況下測得其表觀黏度(dù)為50~500Pa·s,則在注射過程中將不會發生困(kùn)難。表觀黏度過大(dà)時,則塑(sù)料(liào)模的大小與設計就受到較大的限製,同時(shí)壓縮塑件很易(yì)出現(xiàn)缺陷;過小時,溢料的現象比較嚴重,塑件質量也會產(chǎn)生問題。
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