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眾所(suǒ)周知(zhī),液體在平直圓管內受切應力(lì)而發生流動的形式有層流和湍(tuān)流兩種。層流時,液體(tǐ)的流動是按許多彼此平行的流層進(jìn)行的;同流層(céng)之(zhī)間的各點速度彼此相同,但各層之間的速度卻(què)不一定相等,而且各層之間也無(wú)明顯的相互影響。如果增大流動速度而(ér)使其超過(guò)一定的臨界值,則流動(dòng)形式轉為湍流,湍流時液體各點速(sù)度的大小和(hé)方向都隨時間而變化。層流與湍流的區分以雷諾數(Re)為準,在成型注塑(sù)加工 過程中,聚合物熔體流動時的雷諾數常小於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(dòng)基本上(shàng)是層流。
為了研究流體流動的性質,可以把層流流動看成是(shì)一層(céng)層彼此相鄰的薄層液體沿外力作用方向進(jìn)行的相對滑(huá)移。液(yè)層是平直(zhí)的平麵,彼此之間完全平行。F為外部作(zuò)用於整個液體的(de)恒定剪(jiǎn)切力,A為向(xiàng)兩端無限延(yán)伸的(de)液層麵積。管壁(bì)附 dv 近液層同時受到液體黏性阻力和管壁摩擦力的(de)作用,在管(管壁)摩擦力壁上(shàng)液層的移動速度為零。這(zhè)樣,就可以用剪切速(sù)率來代替(tì)速(sù)度梯度,兩者在數值(zhí)上相等。
牛頓(Newton)在研究低分子液體的流動行為(wéi)時,發現切應力和剪切(qiē)速率之間存在著一(yī)定關係,說明液層單(dān)位表麵上所(suǒ)加的切應力r與液層間的速度梯度成正比,n為比例常數,稱為(wéi)牛頓黏度。它是液體自身所固有的(de)屬性,反(fǎn)映了液(yè)體的黏稠性,n的大小表征液體抵抗外力引起形變的能力,不同液體的n值不同(tóng),與其分子結構和所處溫度有關。描述了層(céng)流液體簡單的規律,通常稱為牛頓流(liú)動定律,即牛頓流體的流變方程。凡液體層流時(shí)符合牛(niú)頓(dùn)流動定律的通稱為牛頓流體。其特征為應(yīng)變隨應力作用的時間線性地增加,且黏度保持不(bú)變,應變(biàn)具有不可逆性質,應力解除(chú)後應變以變形保持下來。
由於大分子的長鏈結構和纏結,聚合物熔體的流動行為遠比低分子液體複雜。在寬廣的(de)剪切速率(lǜ)範圍內(nèi),這類(lèi)液體流動時剪切力和剪切速率不再成比例關係,液體(tǐ)的黏度也不是一個常數,因而(ér)聚(jù)合物熔體的流變(biàn)行為不服從牛頓流(liú)動定律。通常把流動行為不服從牛頓流動定律的流動稱為非牛(niú)頓型流動,具有這種流動行為的液體稱為非牛頓(dùn)流體(tǐ)。此時,大多數聚合物都表現為非牛頓流體。
塑(sù)料成型注塑加工中常用聚合物在非牛頓流體狀態剪切速(sù)率下的流動曲線。它們已不再是簡單的直線,不(bú)同類型流體的流動(dòng)曲線(xiàn)是向上或向下彎曲的複(fù)雜曲線。當作用於假塑性流體的切應力變化時,剪(jiǎn)切速(sù)率的(de)變化要比切應力的變化快(kuài)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(huà)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(shù),它隨剪切速率或切應力而變化。
因此,將非牛(niú)頓流體的黏度(dù)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反映黏性流體流變性質(zhì)的經驗性表達式,在有限的範圍內有相當好的準(zhǔn)確性,且形式簡單。對一定的成型(xíng)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)體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工設備或模具的(de)設計等(děng)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(liú)動時,切應(yīng)力和剪切(qiē)速率具有指數函數關係。
表觀(guān)黏度(dù)表征的是非牛頓流體在外力作用下抵(dǐ)抗剪切變形的能力,表觀黏度除與流體本身性質及溫度(dù)有關外,還受剪切速率影響,這就意味著(zhe)外力大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,非牛頓指數n和稠度(dù)係數K均可由試驗測定。當(dāng)n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流(liú)體轉變為牛頓流體,所以n值可用(yòng)來反映非牛頓流體(tǐ)偏離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為(wéi)假塑性(xìng)流體。在注射成型中,除了熱固性聚合物和(hé)少數熱(rè)塑性聚(jù)合(hé)物外,大多數聚合(hé)物熔體均有近似假塑性流體的流變學性質。n>1時,稱(chēng)為膨脹性流體。屬(shǔ)於膨(péng)脹性流體(tǐ)的主要是一些固體含量較(jiào)高的聚合(hé)物懸(xuán)浮液,以及帶有凝膠結構的聚合物溶液和懸浮液,處於較高(gāo)剪切速率下的聚(jù)氯乙烯糊的流動行為就近似這類流體。
在一定的成(chéng)型注(zhù)塑加工工藝條件下,塑料的剪切速率的範(fàn)圍通常是固定的,如壓縮成型時的剪切(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。對於給定的塑料來說,如果通過實驗求得了在這種剪切速率範圍(wéi)下的黏度數據,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(pì)如在注射成型(xíng)時,如果(guǒ)某一(yī)塑(sù)料(liào)熔(róng)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為50~500Pa·s,則在注射(shè)過程中將不會發生困(kùn)難(nán)。表觀黏度過大時,則塑料模的大小與設計就受到較大的限製(zhì),同時壓縮塑件很易出現缺陷;過小時(shí),溢料的現象比較嚴(yán)重(chóng),塑件(jiàn)質量也會產生(shēng)問題。
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