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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:5359 發表(biǎo)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(shēng)流動(dòng)的形式有層流和(hé)湍流兩種。層流時,液體的流動(dòng)是按許多彼此平行的流(liú)層進行的(de);同流層(céng)之間的各點(diǎn)速度彼此(cǐ)相同,但各層之間的速(sù)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(qí)超過一定的臨界值,則流動形式轉為湍流,湍流時液體各點速度(dù)的大小和方向都隨(suí)時間而變化。層流與湍流的區分以雷諾(nuò)數(Re)為準(zhǔn),在成型注塑加工 過程中,聚(jù)合物熔體流動時的(de)雷諾數常小於(yú)10,而聚合物(wù)分(fèn)散體的雷諾數常不止此數,但也不會大於2100,所以(yǐ)它(tā)們(men)的流(liú)動基本上是層流。


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(báo)層液體沿外力作用方向進行的相對滑移。液層是平直的平麵,彼此之間完全平行。F為外部作用於整個液體的恒定(dìng)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(tóng)時受到液體黏性阻力和(hé)管壁(bì)摩擦力(lì)的作用,在管(管壁)摩擦力(lì)壁上液層的移動速度為零。這樣,就可以用剪切速率來代替速度梯度,兩者在(zài)數值上相等。


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率(lǜ)之間存在(zài)著一定關係,說明液層單位表麵上所加的(de)切應力r與液層間的速(sù)度(dù)梯度成正比,n為比例常(cháng)數,稱為牛頓黏度。它是液體自(zì)身所固有的屬性,反映了液體的黏稠性,n的(de)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,與其分子結構和所處溫度有(yǒu)關(guān)。描述了層流液體簡單的規律,通常稱為牛頓流動定律,即牛(niú)頓流體的流變方程。凡液體層流時符合牛頓流動定律的(de)通稱為(wéi)牛頓流體。其特征為應變隨應力作用的時間線性地增加,且黏度保持不變,應變具有不可逆性質,應力解除後應變以變形保持下來。


由於大(dà)分子的長鏈結構和纏結,聚合物熔(róng)體的流動行為遠比低分子液體複雜。在(zài)寬廣的剪切速率範圍內,這類液(yè)體流動時剪切力和剪(jiǎn)切速率不再成比例關係,液體的黏度也不是一(yī)個(gè)常數,因而聚(jù)合物熔體的流變行為不服從牛頓流(liú)動定律。通常(cháng)把流(liú)動行為(wéi)不服從牛頓流(liú)動定律的流動稱為(wéi)非牛頓型流動,具有這(zhè)種流(liú)動行為的(de)液(yè)體稱為非牛頓流體。此時,大多數聚合(hé)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(yòng)聚合物在非牛頓流體狀(zhuàng)態剪切速率下的流動曲線。它(tā)們已不再(zài)是簡(jiǎn)單的直線,不同類型流體(tǐ)的流動曲線是(shì)向上或向下彎曲的複雜(zá)曲線。當作用於假塑性流體的切應力變化(huà)時,剪切(qiē)速率的變化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(tǐ)中剪切速率的變化比切應力的變化要慢。很明顯,流體的黏度已不是一個(gè)常數,它隨剪切速率(lǜ)或切應力而變化。


因此,將非牛頓流(liú)體(tǐ)的黏度定義為表觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提(tí)出的所謂指數定律方程(chéng)是一種較能反(fǎn)映黏性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(zhǔn)確性,且形式簡單(dān)。對一定的成型注塑加工過程來(lái)說,剪切速率總不可能(néng)很寬,因此,指數定(dìng)律在分析液體(tǐ)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(jì)等方麵都較成功。該定律認為:聚合物黏性流體在(zài)定溫下於給定的剪(jiǎn)切速率範(fàn)圍內(nèi)流動時,切(qiē)應力和剪切速率具有指數函數關係。


表觀黏度表征的是非牛頓流體在外力作用(yòng)下抵抗(kàng)剪切(qiē)變形的能力,表觀黏度除(chú)與流(liú)體本身(shēn)性質及溫度有關外,還受剪(jiǎn)切速率影響,這就意味著外力大小及其作(zuò)用(yòng)的時間也能改變流體(tǐ)的黏稠(chóu)性。


在(zài)指數流動規律中,非牛頓指數n和稠度係(xì)數K均可由試驗測(cè)定。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流(liú)體(tǐ)轉(zhuǎn)變為牛頓流(liú)體,所(suǒ)以n值可用來反映非牛頓流體偏離牛頓流體性質的程(chéng)度。n<1時,稱為假塑性流體(tǐ)。在注射(shè)成型(xíng)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體的流變學性質。n>1時,稱為膨脹性(xìng)流體。屬於膨脹性流體的主(zhǔ)要是一些固體含(hán)量較高的聚合物懸浮液,以及帶(dài)有凝(níng)膠結構的聚(jù)合物溶液和懸浮液,處於較高剪切速率下的聚氯乙烯糊的流(liú)動行為就近似這類流體。


在一定的成(chéng)型注塑加工(gōng)工藝條件下,塑料的剪切速率的範圍通常是固定的,如壓縮成型時的(de)剪(jiǎn)切速率(lǜ)範圍為1~10s;注射成型(xíng)時為103~105s-;壓注成型時為102~103s等。對於給定的塑料來說,如果通過實驗求得了在(zài)這種剪切速率範圍下的黏度數據,則對該種塑料在指定 注塑加工成型方法中的(de)操作難易程度就能作出初步(bù)判斷。譬如在注射成型時,如果某一塑料熔體在溫度(dù)不大於其降解溫度且剪切速(sù)率為103s-的情況下測得其(qí)表觀黏度為50~500Pa·s,則在注射過程中將不會發生(shēng)困難。表觀黏度過(guò)大時,則塑料模的(de)大小與設計就受到(dào)較大的限製,同(tóng)時(shí)壓縮塑件很易出現(xiàn)缺陷(xiàn);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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