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眾所周知,液體在平直圓管內受切應力而發生流動的形式有層流(liú)和湍流兩(liǎng)種。層流時,液體的流動是按許多(duō)彼(bǐ)此平行的流層進行的;同流層之間的各點速度(dù)彼此相同,但各層之間的速度卻(què)不一定(dìng)相等,而且各層之(zhī)間也無明顯(xiǎn)的相互影響。如果(guǒ)增大流動速度而使其(qí)超過一定的臨界值,則流動形式轉為湍流,湍(tuān)流時液體各點速度(dù)的大小和方向都隨時間而變化。層流與湍流的區分以(yǐ)雷諾數(Re)為準,在成型注塑加工 過程中,聚合物熔體流(liú)動時的雷諾數常小於10,而聚合物分散體的雷諾數常不止(zhǐ)此數,但(dàn)也不會大於2100,所以它們的流動基本上是層流。
為了研究流體流動的性質,可以把(bǎ)層流流動看(kàn)成(chéng)是一層(céng)層彼此相鄰的薄層液體(tǐ)沿外力(lì)作用方向進行的相對滑移。液層是平直的(de)平麵,彼此之間(jiān)完全平行。F為外部作用於(yú)整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無限延伸的液層麵積。管(guǎn)壁附 dv 近液層同時受(shòu)到(dào)液體黏性阻力和管壁摩擦力的作用,在(zài)管(管(guǎn)壁)摩擦力壁上液(yè)層的移動速度為零。這樣(yàng),就可以用剪(jiǎn)切速率(lǜ)來代替(tì)速度(dù)梯度,兩者在數值上相(xiàng)等。
牛頓(Newton)在研究低分子液體的流動行為時,發現切應力和剪切速(sù)率之(zhī)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(bǐ),n為比例常數,稱為牛頓黏度(dù)。它是液體自身所固有的屬性,反(fǎn)映了液體的黏稠性,n的大(dà)小表(biǎo)征液體抵抗外力引起形變的能力,不同液(yè)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(dùn)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。其特征為應變隨應力作用的時間線性地(dì)增加,且黏度保持不變,應變具有不可逆性質(zhì),應力解除後應變以變形保持下來。
由於大分子的長鏈結構和纏(chán)結,聚合物熔體的流動(dòng)行為(wéi)遠(yuǎn)比低分子液體複雜。在寬廣的(de)剪切速率(lǜ)範圍內,這類液體流動時剪切力和剪切速(sù)率不再(zài)成比例關(guān)係,液體的黏度也不是一個常數(shù),因而聚合物熔體的流變行為不服從牛頓流動定律。通常把流動(dòng)行為不服從牛頓(dùn)流(liú)動(dòng)定律的流動稱為非牛頓型(xíng)流動,具有這種流動行為的液體稱為非牛(niú)頓流體(tǐ)。此時,大多數聚合物都表現為非牛頓流體(tǐ)。

塑料成型注(zhù)塑加工中常用聚合物在(zài)非牛頓流體(tǐ)狀態剪切(qiē)速率下的流動曲線。它們已不再是(shì)簡單的直線,不同類型流體的(de)流動曲線是向上或向下彎曲的複雜曲(qǔ)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(huà)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(yīng)力的(de)變(biàn)化要慢。很明顯,流體的黏度已不是一個常數,它隨剪切速率(lǜ)或切應力而變化。
因此,將非牛(niú)頓流(liú)體(tǐ)的(de)黏度(dù)定義為表觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提出的所謂指(zhǐ)數定律方程是一種較能反映(yìng)黏性(xìng)流體流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(sù)率總不可能很寬,因此,指數(shù)定律在分析液體的流變行為、加工的計算(suàn)以及 注塑加(jiā)工設(shè)備或模具的設計等方麵都較成功。該(gāi)定律認為(wéi):聚合物黏性流體在定溫(wēn)下於給定的剪切速率範圍內流動時,切應(yīng)力和剪切速率(lǜ)具(jù)有指數函數關係。
表觀黏度表征的是非牛頓流體(tǐ)在外力作用下抵(dǐ)抗剪切變形的能力,表觀黏度(dù)除與流體本身性質及(jí)溫度有關外,還受剪切速率影(yǐng)響,這就意(yì)味著外力大小及其作用(yòng)的時間也能改變流體(tǐ)的黏稠性。
在指數流動規(guī)律中,非牛頓指數n和稠度係數(shù)K均可由試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓(dùn)流體轉變為牛頓流體,所以n值可用來反映非牛頓流體(tǐ)偏離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為假塑性流體。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(jù)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(liú)體的主要是一(yī)些固體含量較高的聚合物懸浮液,以(yǐ)及帶有凝膠結構的聚合(hé)物溶液和懸浮(fú)液,處於較(jiào)高剪切速率下的聚氯乙烯糊的流動行(háng)為(wéi)就近(jìn)似這類(lèi)流(liú)體。
在一定(dìng)的成型注塑加工工藝條件下,塑料的剪切速率的範(fàn)圍通常是(shì)固定的(de),如(rú)壓縮成型時的剪切速率範圍為1~10s;注(zhù)射成型時為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(guò)實驗求得了在這種剪切速率範圍下的黏度(dù)數據,則對(duì)該種塑料(liào)在(zài)指定 注塑加工成型方法中的操作難易程度(dù)就能(néng)作出(chū)初步(bù)判斷。譬如在注射成型時,如果某一塑料熔體(tǐ)在溫度不大於其降(jiàng)解溫度且剪切(qiē)速率為103s-的情況下測得(dé)其表觀黏度為50~500Pa·s,則在(zài)注射過程中將不會發生困難。表觀黏(nián)度過大時,則塑料模的大小與設計就受到較大的限製,同時(shí)壓縮(suō)塑件很易出現缺(quē)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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