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注塑加工廠牛頓流體(tǐ)及其流變方程

文章來源: 科(kē)翔模具 人氣:7271 發表時間(jiān):2023-05-16 11:37:34

眾所(suǒ)周知,液體(tǐ)在平直圓管內受切應力而發生流動的形式有層流和(hé)湍流兩(liǎng)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度彼此相同,但(dàn)各層之間的速度卻不一定相等,而且各層之間也無明顯的相互影響。如果增大流動速度而使其超過一(yī)定的臨界值,則流動形式(shì)轉為湍流,湍流時(shí)液體各(gè)點速度的大小和方向都隨時間而變化。層流與湍(tuān)流的區分以雷諾數(Re)為(wéi)準,在成型注塑加工 過程中,聚合(hé)物熔體流動時的雷諾數常小(xiǎo)於10,而聚合物(wù)分散體的雷諾數常(cháng)不(bú)止此數,但也不會大於2100,所以它們的流動基(jī)本上是層流。


為(wéi)了(le)研究流(liú)體流動(dòng)的性質,可以(yǐ)把(bǎ)層流流動看成是一層層彼此相(xiàng)鄰的薄層(céng)液體沿外力作用方向進(jìn)行的相對滑移。液層是平直的平麵,彼此之間完全(quán)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 近液層同(tóng)時受到液體黏(nián)性(xìng)阻力和管(guǎn)壁摩擦力的作用,在管(管壁)摩擦力壁上(shàng)液層的移(yí)動速度(dù)為零。這樣,就可以用剪切速率來(lái)代替速度梯度,兩者在數值上相等(děng)。


牛頓(Newton)在研究低分子液體的流動行(háng)為時,發現切應力和剪切速率之間存在著一定關係,說明(míng)液層單位表麵上所加的切應力r與液層間的速度(dù)梯(tī)度成正比,n為(wéi)比例常數,稱為牛頓黏度。它是(shì)液(yè)體(tǐ)自身(shēn)所(suǒ)固(gù)有的屬性,反映了液體的黏稠性,n的大小表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。描述了層流液體簡單的規律,通(tōng)常稱為牛頓流(liú)動定律,即牛頓流(liú)體的流變方程。凡液體層流時符合牛頓流(liú)動定律的通稱為(wéi)牛頓流體。其特征為應(yīng)變隨應力作用的時間線性地增(zēng)加,且黏度保(bǎo)持不變,應變具有不(bú)可逆性質,應力解除後應(yīng)變以變形保持下來。


由於大分子的長鏈結構(gòu)和纏結,聚合物(wù)熔體(tǐ)的流動行為遠比低分(fèn)子液體複雜。在寬廣的剪切(qiē)速率範圍內,這類液體流動時剪切(qiē)力和剪切速率不再(zài)成比例(lì)關係,液體的黏度也不是一個常(cháng)數,因(yīn)而聚合物熔體的流變行為不服從牛(niú)頓流動定律。通常把流動行為(wéi)不服從牛頓流動定律的流動稱為(wéi)非牛頓型流動,具有這種(zhǒng)流(liú)動行為的(de)液體稱為非牛頓流體。此時,大多數聚合物(wù)都表(biǎo)現為非牛頓流體。

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塑料成型(xíng)注塑加工中常用聚合(hé)物在非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(wān)曲的複雜曲線。當作用於假塑性流體的切(qiē)應力變化時,剪(jiǎn)切(qiē)速率的(de)變化(huà)要(yào)比切應力的變化快得多(duō)。而膨脹性流體的(de)流變行為則正(zhèng)好相反(fǎn),流體中剪切速率的變(biàn)化比切應力的變化要慢。很明顯,流體的(de)黏度已不是一個常數,它(tā)隨剪切速率或切應力而變化。


因此,將非牛頓流體的黏度定(dìng)義為表觀(guān)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(liú)變性質的經驗性表達式,在有限的範圍內有相當好的準確性,且形式簡單。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(cǐ),指數定律在分析液體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工設備或模具的設計等方麵都較成功。該定律認為:聚合物黏性流(liú)體在定溫下於給定的剪切速(sù)率(lǜ)範圍內流動時,切應力和剪切(qiē)速率具有指數函數關係。


表觀黏度表征的是非牛頓(dùn)流體在外力作用下(xià)抵抗剪切變形的能力,表(biǎo)觀(guān)黏度除(chú)與流體本身性質及(jí)溫度有關外,還受剪切速率影響(xiǎng),這就意味著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和稠度係數K均可由試驗測定(dìng)。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流體轉變(biàn)為牛頓流體,所以n值可用來(lái)反映非牛頓流體偏(piān)離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為假塑性流體。在注(zhù)射成型中,除了熱固性聚合物和少數熱塑性(xìng)聚合物外,大多數聚合物熔體均有近似假塑性流體的流變學性質。n>1時,稱為膨脹性流體。屬於膨脹性(xìng)流體的(de)主要是一(yī)些固(gù)體含量較高的聚合物懸浮液,以及帶有凝膠結構的聚合(hé)物溶液和懸浮液,處於較高剪切速率下的聚氯乙烯(xī)糊的(de)流動行為就近似這類流體。


在一定的(de)成型注塑加(jiā)工工藝條件(jiàn)下,塑料的剪切(qiē)速率的範圍(wéi)通常是固定的,如壓縮成型時的剪切速率範圍為1~10s;注射成型時為103~105s-;壓注成(chéng)型時為102~103s等。對於給定的塑料來說,如果通過實驗(yàn)求得了(le)在(zài)這種剪切速(sù)率範圍下的黏度數據,則對該種塑料在指定 注塑加(jiā)工成型方法(fǎ)中的操作難易程度就能作出初(chū)步判斷。譬如在注射成型時,如果某一塑料熔體在溫度不大於其(qí)降解溫度且剪切速(sù)率為103s-的情況下測得其表觀黏(nián)度為(wéi)50~500Pa·s,則在注射過程中將不會發(fā)生(shēng)困難。表觀黏度過大時,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(xiǎo)時,溢料的現(xiàn)象比較嚴重,塑件質量也會產生(shēng)問題。


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