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注(zhù)塑加工廠牛頓流體及(jí)其流變方程

文章來源: 科(kē)翔模具 人氣(qì):5444 發表時間:2023-05-16 11:37:34

眾所周知,液體在平直圓管(guǎn)內受切應力而(ér)發生(shēng)流動的形式有(yǒu)層流和湍流兩種。層流(liú)時,液體的流動是按許多彼此平行的流層(céng)進行的;同(tóng)流(liú)層之間的各點速度彼此相(xiàng)同(tóng),但各層之間的(de)速度卻不一定相等,而(ér)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(chāo)過一定的臨界值,則流動形式轉為(wéi)湍流,湍流時液體各點速(sù)度的大小和方向都隨時間而變化。層流與湍流的區分以雷諾數(Re)為準,在成型注塑加工 過程中,聚合物熔體流動(dòng)時的雷諾數常小於10,而聚合物分(fèn)散體的(de)雷諾數常不止此數,但也不會大於2100,所以它們的流動基本(běn)上是層流。


為了研究流體流動的性質,可以把層流流動看成是一層層彼此相鄰的薄層液體沿外力作用方向進行的相對滑移。液層(céng)是平直的(de)平麵,彼此之(zhī)間完全平(píng)行。F為外(wài)部作用於整個液體的恒定(dìng)剪切力,A為向兩端無限延伸的(de)液層麵積。管壁附 dv 近液層同時受到液體黏性(xìng)阻力和管壁(bì)摩擦力的作用,在管(管(guǎn)壁)摩擦力壁上液層的移動速度為零(líng)。這樣,就可以用剪切速率(lǜ)來代(dài)替速度梯度(dù),兩者(zhě)在數值上相等。


牛頓(Newton)在研究(jiū)低分子液體的流動行(háng)為時,發現切應力和剪切速率之間(jiān)存在(zài)著一定關係,說明液層單位表麵上所加(jiā)的切應力r與液層間的速度梯度成正比,n為比例常數,稱為牛頓黏度(dù)。它是液體自身(shēn)所固有的(de)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(biàn)的能力,不同液體的n值(zhí)不同,與其分子結構和(hé)所處溫度有關。描述了層流液體簡(jiǎn)單的規律,通(tōng)常稱為牛頓(dùn)流動定律,即牛(niú)頓流體的流變方程。凡液體層(céng)流時符合牛頓(dùn)流動定律的通稱(chēng)為(wéi)牛頓流(liú)體。其(qí)特征為應變隨應力作用的時間線性地增加,且黏度保持(chí)不變,應變具有不可逆性質,應力(lì)解除後應變以變形保(bǎo)持下來。


由(yóu)於大分子的長鏈結(jié)構和纏結,聚合物(wù)熔體的流動行(háng)為遠比低分子液體複雜。在寬(kuān)廣的剪切速率(lǜ)範圍內,這類(lèi)液體流動時剪(jiǎn)切力和剪切速率不再成(chéng)比例關係,液體的黏度也不是(shì)一個常數,因而聚合物熔體的流變行為不服從牛頓流動定律。通常把流動行為不服從牛頓流動定律(lǜ)的流動稱為非牛頓型(xíng)流動,具有(yǒu)這種流動行為(wéi)的液體(tǐ)稱(chēng)為非牛頓流體。此時,大多(duō)數聚合物(wù)都表現為非牛(niú)頓(dùn)流體。

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塑料成型注塑加工中常用聚合物在非(fēi)牛頓流體狀態剪切(qiē)速率(lǜ)下(xià)的(de)流動曲線。它們已不再(zài)是簡單的直線,不同類型流體的流(liú)動曲(qǔ)線是(shì)向上或向下彎曲的複雜曲線。當作用於假塑性流(liú)體的切應力變化時,剪切速率的變化要比切應力的變化快得多。而膨脹性流體的(de)流變(biàn)行為則(zé)正好相反,流體中(zhōng)剪切速率的變化比切應力的變化要慢。很明顯,流體的黏(nián)度(dù)已不是一個常數,它隨剪切速率或切應力而變化。


因此,將非牛(niú)頓流體(tǐ)的黏(nián)度定義為表觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提出的所謂指數(shù)定(dìng)律方程是一種較能反映黏性流體流變性質的經驗性(xìng)表達式,在有限的範圍(wéi)內有(yǒu)相當好的(de)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(bú)可能很寬,因此,指數定律在分析(xī)液(yè)體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工(gōng)設備或模具的設計等方麵都較(jiào)成(chéng)功。該定律認為:聚合物(wù)黏性(xìng)流體(tǐ)在定溫下於給定的剪切(qiē)速率範圍內流動時,切應力和(hé)剪切速率具(jù)有指數函數(shù)關係。


表觀黏度表征的是非牛頓流體在外力作用下抵抗剪切變形的能力(lì),表觀黏度除與流體本身性質及溫度有關外,還受剪切速(sù)率影響,這就意味(wèi)著外力大小(xiǎo)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。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流(liú)體轉變為牛(niú)頓流體,所以n值可(kě)用來反映非牛頓流體偏離牛(niú)頓流體性質的程度。n<1時,稱為假(jiǎ)塑性流體。在注射成型中,除了熱固性聚合物和少數熱塑(sù)性聚合物外,大多數聚合物熔體均有近似假塑性流(liú)體的流變學(xué)性質。n>1時,稱為膨(péng)脹性流體。屬於膨脹性流體(tǐ)的主要是(shì)一些固體含量較高的聚合物懸浮液,以及帶(dài)有(yǒu)凝膠結構(gòu)的聚合物溶液和懸浮(fú)液,處於較高剪切速率下的聚氯(lǜ)乙烯糊的(de)流動行為就近(jìn)似(sì)這類(lèi)流體。


在一(yī)定的成型注(zhù)塑加工工藝條件下,塑料的剪切(qiē)速率的(de)範圍通常是固(gù)定的,如壓(yā)縮成型時的剪切速率範圍為1~10s;注(zhù)射成型時(shí)為103~105s-;壓(yā)注成型時為102~103s等。對(duì)於給定的塑料(liào)來說(shuō),如果通過實驗求得了在這種剪切速率範(fàn)圍下的黏度數據,則對該種塑料在指定 注(zhù)塑加工成型方法中的操(cāo)作難易程度就能作出初步判斷。譬如在注射成型時,如果某一塑料(liào)熔體在溫度不大於其降解溫(wēn)度且剪(jiǎn)切速率為103s-的情(qíng)況下測得其表觀黏度為50~500Pa·s,則在注(zhù)射過程中將不(bú)會發生困難。表觀黏度過大時,則塑料模的大小與(yǔ)設計(jì)就受到(dào)較大的限製,同時壓縮塑(sù)件很易出現缺陷;過小(xiǎo)時,溢料的現象比較嚴重,塑件質量也會(huì)產生(shēng)問題。


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