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眾所周知,液(yè)體在平直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的流層進行的;同(tóng)流層之間的各點速度彼此相同(tóng),但各層(céng)之間的速度卻(què)不一定相等,而且各層(céng)之間也無明顯的相互影響(xiǎng)。如果增大流動速度而使其超過一定的臨界值(zhí),則流動形式轉為湍流,湍流時液體(tǐ)各點速度的大小(xiǎo)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,在成型注塑(sù)加工 過程中,聚合物熔體流動時的雷諾數(shù)常小於10,而聚合物(wù)分散體的雷諾數(shù)常不止此數,但也不會(huì)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(céng)層彼此相鄰的薄層液體(tǐ)沿外(wài)力作用方向進行的相對滑移。液層是平直的平麵,彼此之(zhī)間完全平行。F為外部作用於整(zhěng)個液體(tǐ)的恒定剪切力,A為向兩端無限延伸的液(yè)層麵積。管壁附 dv 近液層同時受到液體黏性阻(zǔ)力和管壁摩擦力的作用,在管(guǎn)(管壁)摩擦力壁上液(yè)層的移動速度為零。這樣,就可以用剪切速率來代替速度(dù)梯度,兩者(zhě)在(zài)數值上相等。
牛頓(Newton)在研究低分子液體的流動(dòng)行為時,發現切應力和剪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(qiē)應力r與液層間的速度梯度成正(zhèng)比,n為(wéi)比例常數,稱為牛頓黏度。它是液體自身所固(gù)有的屬性,反映了液體的黏稠性(xìng),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(yǔ)其分子結構和所處溫度有關。描述了層流液體簡單的規律,通常稱為牛(niú)頓流動定(dìng)律,即牛頓流體的流變方程。凡液體層流時符合牛頓流動定律的通(tōng)稱(chēng)為牛(niú)頓流體。其特征為應變隨應(yīng)力作用的時間線性地增加,且黏度保持不變,應變具有不可逆性質,應力解除後應變以變形保(bǎo)持下來。
由於大分子的(de)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(lǜ)範圍內,這類液體流(liú)動時剪切力和剪切速率不再成比(bǐ)例關係,液(yè)體(tǐ)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。通常(cháng)把流動行為不服從牛頓流動定律的流動稱為非牛頓型流動,具(jù)有這種流動行為的(de)液體(tǐ)稱為非牛頓流體。此時,大多數聚合物都表現為非(fēi)牛頓流體。
塑(sù)料成型注塑加工中(zhōng)常用聚合(hé)物在(zài)非牛頓流體狀態(tài)剪切速率下(xià)的流動曲線。它們已不(bú)再是簡單的直線,不同類型流體(tǐ)的流(liú)動曲線是(shì)向上或向下彎曲的複雜曲線。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(lì)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(yīn)此,將非牛頓流(liú)體(tǐ)的黏度(dù)定義為表觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提出的所(suǒ)謂指數定律方程是一種較能反映黏(nián)性流體流(liú)變性質(zhì)的經驗(yàn)性表達式,在有限(xiàn)的範圍內有相當好(hǎo)的準確性(xìng),且形式簡(jiǎn)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(lǜ)在分析(xī)液體的流變行(háng)為、加工的計算以及 注塑(sù)加工設備或模具(jù)的設計等方麵都較成功。該定律(lǜ)認為:聚合物黏性流體在定溫下於給(gěi)定的剪(jiǎn)切速率範圍內流動(dòng)時,切應力和剪切速率具有指數函(hán)數關係。
表觀黏(nián)度表征的是非牛頓流體在外力作用下抵抗(kàng)剪切變形的能力,表觀黏(nián)度除(chú)與流體本身性質及溫度有關外,還受剪切速率影響,這就意味(wèi)著外力大小及其作用的時間也能改(gǎi)變流體的黏(nián)稠性。
在指數流動(dòng)規律中,非牛頓指數n和稠度係數K均可由試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非(fēi)牛頓流體轉變(biàn)為牛頓流體,所以n值可用來反映(yìng)非牛頓流體偏離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為(wéi)假塑性流體。在注射成型中,除了(le)熱(rè)固性聚合(hé)物和少數熱塑性聚合物外,大多數(shù)聚合物熔體均有近似假塑性流體的流變學性質。n>1時,稱為膨(péng)脹性流體。屬於(yú)膨脹性流體的主要是一些(xiē)固體含量較高的聚合物懸浮(fú)液,以及(jí)帶有凝膠結(jié)構的聚合物溶液和懸(xuán)浮(fú)液,處於較高剪切速(sù)率下的聚氯乙烯糊的流動行為就近似這類流體。
在一定的成型注塑加工工藝條件下,塑料的剪(jiǎn)切速率的範圍通常是固定的,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(qiú)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(dìng) 注塑加工(gōng)成型(xíng)方法中的操作難易程度就能作出初步判斷。譬(pì)如在注射成型時,如果某一塑料熔體在(zài)溫度不大於其降解溫度且剪切速率為103s-的情(qíng)況下測(cè)得其表(biǎo)觀黏度為50~500Pa·s,則在注(zhù)射過程(chéng)中(zhōng)將不會發生困難。表觀黏度過大時,則塑料模的大(dà)小與(yǔ)設計就受到較大的限製,同時壓縮塑件很易出現缺陷(xiàn);過小時,溢料的現象比較嚴重,塑件質量也(yě)會產生問題。
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