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眾所周知,液(yè)體在平直圓管內(nèi)受(shòu)切應力(lì)而發生流動(dòng)的形式(shì)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(céng)之間的各點速度彼此相同,但各層之間的(de)速度卻不一定相等,而且各層之(zhī)間也無明顯的相互影響。如果增大流動速度(dù)而使其超過(guò)一定(dìng)的臨界值,則流動形式轉為湍流(liú),湍流時液體(tǐ)各點(diǎn)速度的大小(xiǎo)和方向都隨時間而變化(huà)。層流與湍流的區分以雷諾數(Re)為準(zhǔn),在成型注塑加(jiā)工 過程中,聚合物熔體流動時的雷諾數常(cháng)小(xiǎo)於10,而聚(jù)合物分散體的雷諾數常不止此數,但也不會大(dà)於2100,所(suǒ)以它們(men)的流動(dòng)基本上是層流。
為了研究流體流動的性質,可以把層流(liú)流動看成是一(yī)層層彼此相鄰的薄層液體沿外力作用(yòng)方向進行(háng)的相(xiàng)對滑移。液層是平直的(de)平麵(miàn),彼此之間完全平(píng)行。F為外部作用於整個(gè)液體的恒定剪切力,A為向兩端無限(xiàn)延伸的液層麵積。管壁附 dv 近液層同(tóng)時受到液體黏(nián)性阻力和管壁摩擦力的作用,在管(管(guǎn)壁)摩擦力壁上液層的移動速度(dù)為零。這樣,就可以用剪切速率來代替速度梯度,兩者在數值上相等(děng)。
牛(niú)頓(Newton)在研究(jiū)低分子液體的流動行為時,發(fā)現切應(yīng)力和剪切速率之間存在著(zhe)一定關係,說(shuō)明液層單位(wèi)表麵上所加的切應力r與液層間的速度梯度成正(zhèng)比,n為比例常數,稱為(wéi)牛頓黏度。它是液體自身所固有(yǒu)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,通常稱為牛頓流動定律,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稱為牛頓流體。其特征(zhēng)為應變隨應力作用的時(shí)間線性(xìng)地增加,且(qiě)黏度保(bǎo)持不變,應變具有不可逆性質,應(yīng)力(lì)解除後(hòu)應變以變形保持下來。
由於大分子的長鏈結(jié)構和纏結,聚合物熔體的流動行為遠比低分子(zǐ)液體複雜。在寬廣的剪切速(sù)率範圍內,這類液體流動時剪切力和剪切速率(lǜ)不再成比例關係,液體的黏度(dù)也(yě)不是一個常數,因而聚(jù)合物熔體的(de)流變行為不(bú)服從牛頓流動定律。通常把(bǎ)流動行為不服從(cóng)牛頓流動定律的流動稱(chēng)為非(fēi)牛頓型流動,具有這種流動行為的(de)液體(tǐ)稱為非牛頓流體。此時(shí),大多數聚合物都表現(xiàn)為非牛頓(dùn)流體。
塑(sù)料成型注塑加工中常(cháng)用聚(jù)合(hé)物(wù)在非牛(niú)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(liú)體的流動曲線是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(huà)時,剪切速率的變化要比切應力的變化快得多。而(ér)膨脹性流(liú)體的(de)流變行為則正好相反,流(liú)體中剪切速率的變化比切應(yīng)力的變化要慢。很明顯,流體的黏度已不是一(yī)個常數,它隨剪切速(sù)率或切應力(lì)而(ér)變化。
因此,將非(fēi)牛頓流體的黏度定義為表觀黏度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(xìng)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(chéng)來說,剪切速(sù)率總不可能很寬,因此(cǐ),指數定律在(zài)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(rèn)為(wéi):聚合物黏性流體在定溫下(xià)於給定的剪切速(sù)率範圍內流動時,切應力和剪切速率具有指數函數關係。
表觀黏(nián)度表征的是非牛(niú)頓流體在外力作用下(xià)抵抗剪切變(biàn)形的能力,表觀黏度除與流體(tǐ)本身性質及(jí)溫度有關外(wài),還受(shòu)剪切速率影響,這就意味著外力大小及其作用的時間也能改變流(liú)體的黏稠性。
在指數流動規律中(zhōng),非牛(niú)頓指數n和稠度係(xì)數K均可(kě)由試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流體轉變(biàn)為(wéi)牛頓流體,所(suǒ)以n值可用來反映非牛頓流(liú)體偏離牛頓流(liú)體性(xìng)質(zhì)的程度。n<1時,稱為(wéi)假(jiǎ)塑性流體。在注射成(chéng)型中,除了熱固性聚合物和(hé)少數熱塑性聚合物外,大(dà)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。屬於膨脹性流體的主要是一些固體含量(liàng)較高的聚合物懸浮液,以及(jí)帶有凝膠結構的聚合物溶液和懸浮液,處於較高剪(jiǎn)切速率下的聚氯乙烯糊的流動(dòng)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(sù)料(liào)的剪切速率的範圍通常是固定的,如壓縮成型時的剪切速率範圍(wéi)為(wéi)1~10s;注射成型時為103~105s-;壓注成型時為102~103s等(děng)。對於給定的塑(sù)料(liào)來說,如果通過(guò)實驗求得了在(zài)這種剪切速率範圍下的黏度數據,則對該種塑(sù)料(liào)在指定 注塑(sù)加(jiā)工(gōng)成(chéng)型方(fāng)法中的操作難易程(chéng)度(dù)就能作出初步判斷。譬如在注射成型時,如果某一(yī)塑料熔體在溫度(dù)不(bú)大(dà)於其降解溫度(dù)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,則在注射過程(chéng)中將不會發(fā)生困難。表觀黏度過大時,則塑料模的大小與設計就受到較大的限(xiàn)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(chóng),塑件(jiàn)質量也會產生問題。
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