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眾所周知,液體在平直圓管內受切應力而發(fā)生(shēng)流動的形式有層流和湍流兩種。層流時,液體的流動是按許多彼此平行的流層進行的;同流層之間的各點速(sù)度彼此相同,但各層之間的速度卻不(bú)一定相等,而且各層之(zhī)間也(yě)無明顯的相互影響。如果增大流動速度而使其超過一定的臨界值,則流動形式轉(zhuǎn)為湍流,湍流時液體各點速度的大小和方向都隨時間而變化。層流與(yǔ)湍流的區分以雷諾數(Re)為準,在成型注塑加(jiā)工 過程中,聚合物(wù)熔(róng)體流動時(shí)的雷諾數常小於10,而(ér)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(men)的流動基本上是層流。
為了研究流體流動的性質,可(kě)以把層流流動看成是一層層彼此相鄰的薄(báo)層液(yè)體沿外力作用方(fāng)向進行的(de)相對滑移(yí)。液層是平直(zhí)的平麵,彼此之間完全平行。F為外部作用於(yú)整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無限(xiàn)延伸的液層(céng)麵積(jī)。管壁附(fù) dv 近液層同時受到液體黏性阻力和管壁摩擦力的作用,在管(管壁)摩(mó)擦力(lì)壁上液層的移動速度為零。這樣,就可以用剪切(qiē)速率來代替速度梯度,兩者在數值上相等。
牛頓(Newton)在研究低(dī)分子液體的(de)流動行為時,發現切應力和(hé)剪切速率之間存在著一定關(guān)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(chéng)正比,n為比例常數,稱為牛頓黏度。它是液體自身所(suǒ)固有(yǒu)的屬性,反映了液體的黏稠性,n的大小表(biǎo)征液體抵抗外力引起(qǐ)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(liú)液體簡單的規律,通常稱為牛頓(dùn)流動定律(lǜ),即牛頓流體的流變方程(chéng)。凡液體層流時符合牛頓流動定律的通稱為牛(niú)頓流體。其特征為應變隨應力(lì)作用的時(shí)間線(xiàn)性地增加,且(qiě)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持下來。
由於大(dà)分子的長鏈結構和纏結,聚合物熔體(tǐ)的流動行為遠比低分子液體複雜。在寬廣的剪切速率範圍內,這類(lèi)液體(tǐ)流動時剪切力和剪切速率不再成比例關係,液體的(de)黏度也(yě)不是(shì)一個常數,因而聚合物熔體的流變(biàn)行為不服從牛(niú)頓流動定律。通(tōng)常把流動行為不服從(cóng)牛(niú)頓流動定律的流動稱為(wéi)非牛頓型流動,具有這種流動行為的液體稱為非牛頓流(liú)體。此時,大多數聚合物都表(biǎo)現為(wéi)非(fēi)牛頓流體。
塑料成型(xíng)注塑加工中常用聚合物在非牛頓流體狀態剪切速率下的流動曲(qǔ)線。它們已不再是簡單的直線,不同類(lèi)型流體的流動曲線是向上或向下彎曲的(de)複雜曲線。當作用於假塑性流體的切應(yīng)力變化時,剪切速率的變化要(yào)比(bǐ)切應力的變化快得多。而膨脹性流體的(de)流變行為則正好相(xiàng)反(fǎn),流體中剪切速率的變化比切應(yīng)力的變化要(yào)慢。很明顯,流體的黏度(dù)已不是一個常數,它隨(suí)剪切(qiē)速率或切應力而變化。
因此,將非牛頓流體的黏度定義(yì)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(nián)性(xìng)流體流變性質的經驗性表達式,在有(yǒu)限的範(fàn)圍(wéi)內有相當好的準確性(xìng),且(qiě)形式簡(jiǎn)單。對(duì)一定的成型注塑(sù)加工過程來說,剪切速率(lǜ)總不可能很寬,因(yīn)此,指數定律在分析液體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工設(shè)備或(huò)模(mó)具的設(shè)計等方麵都(dōu)較成(chéng)功。該定律認為:聚合物(wù)黏性流(liú)體在定溫(wēn)下於給定的剪切速率範圍內流動時,切應力和剪(jiǎn)切速(sù)率具(jù)有指數函(hán)數關係。
表觀(guān)黏度表征(zhēng)的是非牛頓流體在(zài)外力作用下抵抗剪切變形的能力,表觀黏度除(chú)與流體本身性質及(jí)溫度有關外,還受剪切(qiē)速率影響(xiǎng),這就意味著外力大小及其(qí)作用的時間也能改變流體的黏稠性(xìng)。
在指數流動規律中,非牛頓指數n和稠度係數K均可由試驗(yàn)測定。當n=1時,na=K= n,這意(yì)味著非牛頓流體轉變(biàn)為牛頓流(liú)體,所以n值可用來反映非牛(niú)頓流體偏離牛(niú)頓流體性質的程度。n<1時,稱為假塑性(xìng)流體。在注射成型中(zhōng),除了熱固性聚合物和少數熱塑性聚合物外,大多數聚合物熔體(tǐ)均有(yǒu)近似假塑性流體的流變學性質。n>1時,稱為膨脹性流體。屬於膨(péng)脹性流(liú)體的主(zhǔ)要是一些固體含量(liàng)較高的聚合(hé)物懸浮液(yè),以及帶(dài)有凝膠結(jié)構的聚合物溶液和(hé)懸浮液,處於較高剪切速率下的聚氯乙烯糊的流(liú)動行為就近似這(zhè)類流體。
在一定的(de)成型注(zhù)塑加工工藝條件下,塑料的剪切(qiē)速率(lǜ)的範圍通常是固定的,如壓縮成型(xíng)時的剪切速率範圍為1~10s;注射成(chéng)型時為103~105s-;壓注成型時為102~103s等(děng)。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(xíng)時,如果某一塑料熔體在溫度不(bú)大於其降解溫度且(qiě)剪切速(sù)率為103s-的(de)情況下測得其表觀黏度為50~500Pa·s,則在注射過程中將不會發生(shēng)困難。表(biǎo)觀黏度過大時,則塑料(liào)模的大小與設計就受到較(jiào)大的限製,同(tóng)時壓縮塑件很易出現(xiàn)缺陷;過小時,溢料的現象(xiàng)比較嚴重,塑件質量也會產生問題。
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