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眾所周知,液(yè)體在平(píng)直圓管內受切應力而發生流動的形式有層流和湍(tuān)流兩種。層流時,液體的(de)流動是(shì)按許多彼此平行的流層進行的;同流層之間的各點速度彼此相同,但各層之間的速度卻不(bú)一定(dìng)相等,而且各層之間也(yě)無明顯的相互影(yǐng)響。如果(guǒ)增大流動速(sù)度而使其超過一定的臨界值,則(zé)流動形(xíng)式轉為(wéi)湍流,湍流時液體各點速度的大小和方向都隨時間而變化(huà)。層流與湍(tuān)流的區分以雷諾數(Re)為準,在成型注塑加工(gōng) 過程中,聚合物熔體流動時的雷(léi)諾數常小於10,而聚合物分散體的雷(léi)諾數常不止此數,但也(yě)不會大於2100,所以(yǐ)它們的流動(dòng)基本上是層流。
為了研究流體流動的(de)性質,可以把層流流動看成是一層層彼(bǐ)此相鄰的薄層液體沿外力(lì)作(zuò)用方向(xiàng)進行的相對(duì)滑移。液層是(shì)平直的平麵,彼此之間(jiān)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(liǎng)端無限延伸的液(yè)層麵(miàn)積。管壁附 dv 近液層(céng)同時受到液體黏性阻(zǔ)力和管壁摩擦力的作用(yòng),在管(管壁)摩擦力(lì)壁上液層的移動速度為零。這樣,就可以用剪切速(sù)率來代替速度(dù)梯(tī)度(dù),兩者(zhě)在數(shù)值上相等。
牛頓(Newton)在研究低分子液體(tǐ)的流動行為時,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,稱為牛頓黏度。它是液體自身所固有的屬性,反映了液體的黏(nián)稠性,n的大小表征液體抵抗外力引起形變的能力,不(bú)同液體的n值不同,與其分子結構和所(suǒ)處溫度有關。描(miáo)述了層流液(yè)體簡單的規律,通常稱為牛頓流動定律,即(jí)牛頓流體的流(liú)變方程。凡液體層流時符合牛頓流動(dòng)定律的通(tōng)稱為牛頓流體。其特征為(wéi)應變(biàn)隨應力作用的時間線性地增加(jiā),且黏度保持(chí)不變,應變具有不(bú)可逆性質,應力解除後應變以變形保持下來。
由於(yú)大分子(zǐ)的長鏈結構和纏(chán)結,聚合物熔體的(de)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(tǐ)流動時剪切力和剪切速率不再成比例關係,液體的黏度也不是一個常數,因而聚合物熔體的(de)流變行(háng)為(wéi)不服從牛頓流動定律。通常把流動行為不服從牛(niú)頓流動(dòng)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流體。此時,大(dà)多數聚合物都表現為非(fēi)牛頓流體。
塑料成型注(zhù)塑加工中常用聚合物在非(fēi)牛頓流體(tǐ)狀(zhuàng)態(tài)剪切(qiē)速(sù)率下的流動曲線(xiàn)。它們已不再是簡單的直線,不同類型流體(tǐ)的流動曲線是向上或向下彎(wān)曲的複雜曲線。當作用於假塑性流體的切應力變(biàn)化時,剪切速率的變化要比切應力的(de)變化快得多。而膨脹性流體的流(liú)變行為則正(zhèng)好相(xiàng)反,流(liú)體中剪切速率(lǜ)的變化比切應力的變化要慢。很明顯,流體的黏度已不是一個常數,它隨(suí)剪切(qiē)速率或切應力而變化。
因此,將非牛頓流體(tǐ)的黏度定(dìng)義為表觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提出的所謂指數定(dìng)律方程是一種(zhǒng)較能反映黏性流體流(liú)變性(xìng)質的經(jīng)驗性表達式,在有限的範圍內有相當好的準確性,且形式簡(jiǎn)單(dān)。對(duì)一定的成型注塑加工(gōng)過(guò)程來說,剪切速率總不可能很寬,因此,指數定律在分析液體(tǐ)的流變(biàn)行為、加工的計算以及 注塑加工設備或模(mó)具的設計等(děng)方麵都較成功。該定律認為:聚合物黏性(xìng)流體在定溫下於給定的剪切速率範(fàn)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(dù)表征的是非牛頓流體在外力作用(yòng)下抵抗(kàng)剪切變形的能力,表(biǎo)觀(guān)黏度(dù)除(chú)與流體本身性質及溫度有關外(wài),還受剪切速率影響,這(zhè)就意(yì)味著(zhe)外力大小及其作用的時間也能改變流體的黏稠性(xìng)。
在(zài)指數流動規(guī)律中,非牛頓指數n和稠度係(xì)數K均可由試驗測定。當n=1時(shí),na=K= n,這意味著非牛頓流體轉變為牛頓流體,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(sù)性流體。在注射成型中,除了熱固性聚合物和少數熱塑性聚合物外,大多數聚合(hé)物(wù)熔體均(jun1)有(yǒu)近似假塑(sù)性(xìng)流體(tǐ)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體含量較高的聚合物懸浮液,以及(jí)帶有凝膠(jiāo)結構的聚合物溶液和懸浮液,處於較高剪切速率下(xià)的聚氯乙(yǐ)烯糊的流動行為就近似這類流體。
在一(yī)定的成型(xíng)注塑加工工藝條件下,塑料的剪切(qiē)速率的範圍通常是固定的(de),如壓縮成型時的剪切速率範圍為1~10s;注射成型(xíng)時為103~105s-;壓注成型時為102~103s等。對於給定(dìng)的塑(sù)料來說,如果通過實驗求得了在(zài)這種剪切(qiē)速率範圍下的黏度數據,則對該種塑料在指定 注塑加(jiā)工(gōng)成型方法中的操作難易程度(dù)就能(néng)作出初步判斷。譬如在注射成型(xíng)時,如果某一塑料熔體(tǐ)在溫度不大於其(qí)降解溫度且剪切速率(lǜ)為103s-的情況下測(cè)得其表觀黏度為50~500Pa·s,則在注射過程中將不會發生困難。表觀黏度過大時(shí),則塑料模的(de)大小與設計就受到較大的限製,同時壓縮塑件很易出現缺陷;過小時,溢料的現象比較嚴重,塑件質量也會產生問題。
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