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注塑加工廠牛頓流體及其流變方程

文章來(lái)源: 科翔模具 人氣:5445 發表時間:2023-05-16 11:37:34

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和湍(tuān)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度彼此相同(tóng),但各層之間的速度卻不一定相等,而且各層(céng)之間也無明(míng)顯的(de)相互影響。如果增大流動速度而使其超過一定的臨界值,則流動形式轉為湍(tuān)流(liú),湍流時液體各點速度的大小和(hé)方向都隨時間而變化。層流與湍流的區分以雷諾(nuò)數(shù)(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此(cǐ)數,但也不會大於2100,所(suǒ)以它們的流(liú)動基本上是層流。


為了研究流體流動的性質(zhì),可以把層流流動看成是一層層彼此(cǐ)相鄰的薄層液(yè)體沿外力作用方向進行的相對滑移(yí)。液層是平直的平麵,彼此之間完全(quán)平行。F為(wéi)外(wài)部作(zuò)用於整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無限延伸(shēn)的液層麵積。管壁附 dv 近液層同時受到(dào)液體黏性阻力和管壁摩擦(cā)力的作用,在管(管壁)摩擦力壁上液層的移動速度為零。這樣,就可(kě)以用剪切速(sù)率(lǜ)來代替速(sù)度梯度,兩者在數值上相等。


牛頓(Newton)在研(yán)究低分子液(yè)體的流動行為時,發現切(qiē)應力和剪(jiǎn)切速率之(zhī)間存在(zài)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(jiān)的(de)速(sù)度梯(tī)度成正比,n為比例常數(shù),稱為牛頓黏度。它是液體(tǐ)自身所固有的屬性,反映(yìng)了液體(tǐ)的(de)黏稠性,n的大小表征液體抵抗外力引起形變的能力(lì),不同液體的n值不同,與其(qí)分子結構和所處(chù)溫度有關。描述了層流(liú)液體簡單的規律,通常稱為牛頓流動定律(lǜ),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(dùn)流體。其特征為應變(biàn)隨應力作用的時間線性地增加(jiā),且黏度保持不變,應變具有不可逆性質(zhì),應(yīng)力解除後應變以(yǐ)變形保持(chí)下來。


由於大分子的長鏈結構和纏(chán)結,聚合物熔體的流動行為遠比(bǐ)低分子液體複(fù)雜。在寬廣(guǎng)的剪切速率範圍內,這類液體流動時剪切力和剪切速(sù)率不再成比(bǐ)例關係,液體的黏度也(yě)不是一個常數,因(yīn)而聚合物熔體(tǐ)的流變行為(wéi)不服從牛頓流動定律。通常把流動行為不服從牛頓流動定律的(de)流動(dòng)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體(tǐ)。此時,大多數聚合物都表現為非牛頓流體。

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塑料成型注塑加工中常用聚合物在(zài)非牛(niú)頓流體狀態剪切速(sù)率下的流(liú)動曲線(xiàn)。它們已不(bú)再是簡單的直線,不同類型流體的流動曲線是向上或向下彎曲的複雜曲線。當(dāng)作用於假塑性流體的切應力變化時,剪切速率的變化要比切應力的(de)變化快得多。而膨脹性流體的流變行為則正好相反,流體中剪切(qiē)速率的變化比切應力的變化要慢(màn)。很明顯,流體的黏度已不是一個常數,它隨剪(jiǎn)切速率或切應力而變化。


因此,將非牛頓(dùn)流(liú)體的黏度定義為表觀黏度n。由(yóu)Ostwald-De Waele 提出的所謂指數定律(lǜ)方程是一(yī)種較能反映黏性流體流變性質的(de)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(shuō),剪(jiǎn)切速率總不可能很寬,因此,指數(shù)定律在分析液體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工設備或模具的設計等方麵都較成功。該定(dìng)律認為:聚合物(wù)黏性流體在定溫下於給(gěi)定的剪切速率(lǜ)範圍內流動時,切(qiē)應力和剪切速率具有指數函數關(guān)係。


表觀黏(nián)度表(biǎo)征的是非牛頓流體在外力作用下抵抗(kàng)剪(jiǎn)切變形的能力,表觀黏(nián)度除(chú)與(yǔ)流體本身性(xìng)質及溫度(dù)有關外,還受剪(jiǎn)切速(sù)率影響,這就意味著外力大小及其作(zuò)用的時間也能改變流體的黏稠性。


在(zài)指數流動規律中,非牛頓指數n和稠度係(xì)數(shù)K均(jun1)可(kě)由試驗(yàn)測定。當n=1時(shí),na=K= n,這意(yì)味著非(fēi)牛頓流體轉變為牛(niú)頓流體,所以n值可用來反映非牛頓流體偏(piān)離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為假塑性流體(tǐ)。在注射成型中,除了熱固性聚合物和少數熱塑性聚合物外,大多數聚合物熔體均有近似假塑性流(liú)體的(de)流變學性質。n>1時,稱為膨脹性流體。屬於膨(péng)脹性流體的主要是一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物溶液和懸浮液,處於(yú)較高剪切速率下的聚(jù)氯乙烯糊的流動行為就近似這類流體。


在一定的成型注塑加工工藝(yì)條件下,塑料的剪切速率的範圍通常是固定的,如壓縮成(chéng)型時的剪切速率範圍(wéi)為1~10s;注射成型時為103~105s-;壓注成型時為102~103s等。對於給定的塑料來說,如果(guǒ)通過實驗求得了在這種剪切速(sù)率範(fàn)圍下的(de)黏度數據,則對(duì)該種塑料在指定(dìng) 注塑加工成型方法(fǎ)中的操作難易程度就能(néng)作出初步判斷。譬如在注(zhù)射成型時(shí),如果某一塑料熔體在溫度不大於其降(jiàng)解溫度且剪切速率(lǜ)為103s-的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困難(nán)。表觀黏度過大時,則塑(sù)料模的大小與設計就受(shòu)到較大的限製,同時壓縮塑件很易出現缺(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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