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注塑加工廠牛頓(dùn)流體及其流變方程

文章來源: 免费91模具 人氣:9573 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(céng)流和湍流兩種。層流時,液體的(de)流動是按許多彼此平行(háng)的流(liú)層進行的;同流層之間的各(gè)點速度彼此相同,但各層之間的速度卻不一定相等,而且各層之間也(yě)無明顯的相互影響。如果增大流動速度而(ér)使其超過一定的臨界值,則流動形式轉為(wéi)湍流,湍流時液體各點速度的大(dà)小和方向都隨時間而變化。層流與湍流的區分(fèn)以雷諾數(Re)為準,在成型注(zhù)塑加(jiā)工 過程中,聚合物熔體流動時的雷諾數常小於10,而(ér)聚(jù)合物分散體(tǐ)的雷諾數常不止此數,但也不會大於2100,所以它們的流動基(jī)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相鄰的(de)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(jiān)完全平行。F為外部作(zuò)用於(yú)整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無限延伸的(de)液(yè)層(céng)麵積(jī)。管壁附 dv 近(jìn)液(yè)層同時(shí)受到液體黏性阻力和(hé)管壁摩擦力的作(zuò)用,在管(管壁)摩擦力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(tī)度,兩者在數值上相等。


牛頓(Newton)在研究低分子液體的流動行為時,發現切應力(lì)和剪切速率之間存(cún)在著一(yī)定(dìng)關係,說明液層單位表麵上所加的切應力r與液層(céng)間的速(sù)度梯度成(chéng)正比,n為比例常數,稱為牛頓黏度(dù)。它是液體自身所固有的(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的能力,不同液體的n值不同(tóng),與(yǔ)其分子結構和所(suǒ)處溫(wēn)度有關。描述(shù)了層流液體簡單的規(guī)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(tōng)稱為牛頓流體。其特征為(wéi)應(yīng)變隨應力作用的時(shí)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(lái)。


由於大分子的長鏈結構和纏結,聚合物(wù)熔體的流動行為遠比低分子液體複雜。在寬廣的剪切速率範(fàn)圍內,這類液體流(liú)動時剪切力和剪切速率不(bú)再成比例關係,液體的黏(nián)度也不是一個常(cháng)數,因而聚合物熔體的流變行為不(bú)服從牛(niú)頓流動定律。通常把流動行為(wéi)不服從牛頓流動定律的(de)流動稱為非牛頓型流動,具有這種(zhǒng)流動行為(wéi)的液體稱為非牛頓流體。此時,大多數聚合物都表現(xiàn)為非牛(niú)頓流體。

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塑料成型注塑加工中常用聚合物在非牛頓流體狀態剪切速率下的(de)流動曲線(xiàn)。它們已不再是(shì)簡單(dān)的直(zhí)線,不同類型流體的流動曲線是向上或向下彎曲的複雜曲(qǔ)線。當作用(yòng)於假塑性流體的切應力(lì)變化時,剪切(qiē)速率的(de)變化要比切應力(lì)的變化快得多。而(ér)膨脹性流體的流變行為則正好相反(fǎn),流體中剪切速率的(de)變化比切應力的變化要慢。很明顯,流(liú)體的黏度已不是一個常(cháng)數,它隨剪切速率或切應力而變化。


因此,將非牛頓流(liú)體的黏度定(dìng)義為表(biǎo)觀黏度n。由Ostwald-De Waele 提出(chū)的(de)所謂指數(shù)定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,在有限的範圍內有(yǒu)相當好的(de)準確性,且形式簡單。對(duì)一定的成型注塑加工過程來(lái)說,剪切速率總(zǒng)不可能很寬,因此,指數定(dìng)律在分析液體的(de)流變行(háng)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成功。該定律認為:聚合物黏性流體在定(dìng)溫(wēn)下於給定的剪切速率(lǜ)範(fàn)圍內流(liú)動時,切應力和剪切速率具有指數函數關係。


表觀黏度表征的是非(fēi)牛頓流體在外(wài)力作用(yòng)下抵抗剪切(qiē)變形的能力,表觀黏度除與流體本身性質及溫度有關外,還受剪切速率影響,這就意味著外力大(dà)小及其作用的時間也能(néng)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(cè)定(dìng)。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流(liú)體轉變為牛頓流體,所以n值可用(yòng)來反映非牛頓流體偏離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為(wéi)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,大多數聚合物熔體均有近似假塑性流體的(de)流變學性質。n>1時,稱為(wéi)膨脹性流體。屬於膨脹性(xìng)流體的主要是一些固(gù)體含量較高的聚合(hé)物懸浮液,以及帶有凝膠結構(gòu)的聚合(hé)物溶液和懸浮液,處於較高剪(jiǎn)切速(sù)率(lǜ)下的聚氯乙烯糊的流動行為就近似這(zhè)類流體。


在一定的成型注塑加工工藝條件下,塑料的剪切速率的範圍通常是固定的,如壓縮(suō)成型時的剪切速率範圍為1~10s;注射(shè)成型時為103~105s-;壓注成型時(shí)為102~103s等。對於給定的塑料來說,如果通過實驗求得了在這種剪切速率範圍下(xià)的黏度數據,則對該種(zhǒng)塑料在(zài)指定 注塑加工成型方法中的操作難易程度就能作出初步判(pàn)斷。譬如在注射成型時,如果某一(yī)塑料熔體在溫度不大於其降(jiàng)解溫度且剪切速率為103s-的情況下(xià)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。表觀黏度過大時,則塑料模的大小與設計就受到較(jiào)大的限製,同時壓縮塑件很易出現缺陷;過(guò)小時(shí),溢料的現象比(bǐ)較嚴重(chóng),塑件質量也會產生問(wèn)題。


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