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注塑加(jiā)工廠牛頓流體及其流變方程

文章來源: 免费91(xiáng)模具 人氣:9632 發表時間:2023-05-16 11:37:34

眾所周知,液體在平(píng)直圓管內受切應力(lì)而發生流動的形式有層流和湍流兩種。層流時,液體的流動是按許多(duō)彼(bǐ)此平(píng)行(háng)的流層進(jìn)行的;同(tóng)流層之間的各點速(sù)度彼此相同,但各層之間的(de)速度卻不一定相(xiàng)等,而且各層之間也無明顯的相互(hù)影響(xiǎng)。如果增大流(liú)動速度而使其超過一定的臨界值,則(zé)流(liú)動形式轉為湍流,湍流時液體各(gè)點速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,聚合物熔體流動時的雷諾數常小於10,而聚合(hé)物分散體的雷諾數(shù)常不止(zhǐ)此數,但也不會(huì)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(de)性質,可以把層流流動(dòng)看成是一(yī)層層彼此相鄰的薄(báo)層液體沿外(wài)力作用方向進行的相對滑移。液層是平直的平麵,彼(bǐ)此之間完全平(píng)行。F為(wéi)外部作用於(yú)整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無(wú)限延伸的液層麵積(jī)。管壁附 dv 近液(yè)層同(tóng)時受(shòu)到液體黏性阻力和管(guǎn)壁摩擦力的作用,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(yòng)剪切速率來代替速度梯度,兩者在數值上相等。


牛頓(Newton)在(zài)研究低分子液體的流動(dòng)行為時,發現(xiàn)切應力和剪切速率之間存(cún)在著一定關(guān)係,說明液(yè)層單位表麵上所加的切應力r與液層(céng)間(jiān)的速度梯度成正比,n為比例常數,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(nián)稠性,n的大小表征液體抵抗外力引起(qǐ)形變的(de)能力,不同液體的n值不同,與(yǔ)其分子結構和所(suǒ)處(chù)溫度有關。描述(shù)了層流液(yè)體(tǐ)簡(jiǎn)單的規(guī)律,通常稱為牛頓流動定律,即牛頓流體的流變方程。凡液(yè)體層流時(shí)符合牛頓流動定律的通稱為牛(niú)頓(dùn)流(liú)體。其特征為應變隨應力作用(yòng)的時間線性(xìng)地增加,且黏度保持不變(biàn),應變具有不可逆性質(zhì),應力解除後應(yīng)變(biàn)以變形保持下來。


由於大分子的長鏈結構和纏結,聚合物熔體的流動行為遠比低分(fèn)子液體複雜。在寬廣的剪切速率範圍內,這類液體流動時剪切力和(hé)剪切速率不再成比例關係,液體的黏度也(yě)不是一個常數,因而聚(jù)合物熔體的流變行(háng)為不服從牛頓流動定(dìng)律。通常(cháng)把流動行為不服從牛頓流動(dòng)定律的流動稱為非牛頓型流動,具有(yǒu)這種流動行為的液體稱為(wéi)非牛頓流體。此時,大多數聚合物都表現為非牛頓流體(tǐ)。

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塑(sù)料(liào)成型注塑加工中常用聚合物在非牛頓流體狀態剪切速率(lǜ)下的流動曲線。它們已不再是簡單的直線,不同類型流體的流動曲線(xiàn)是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(lì)變化時,剪切速率的變化要比切應力的變化快得(dé)多。而膨脹性流體的流變行(háng)為則正好相反,流(liú)體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常數,它(tā)隨剪切速率或切應力而變化。


因此,將非牛頓流體的黏度定義為表觀黏(nián)度n。由Ostwald-De Waele 提出的(de)所(suǒ)謂指數定律方程(chéng)是一種較能反映黏性流體流變(biàn)性質的經驗性表(biǎo)達式,在有限的範圍內有相當好的準(zhǔn)確性,且形式(shì)簡單。對一定的成(chéng)型注塑加工過程來(lái)說,剪切速率總不可能很寬,因此,指數定律在分析液(yè)體的流變行為、加工的計(jì)算(suàn)以及 注塑加工設備或模(mó)具的(de)設計等方麵都較成功。該定律認為(wéi):聚合物黏性流體在定溫下於給定的剪切速率範圍內流(liú)動時,切應力和剪切速率具有指數函數(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,表觀黏度除與流體本(běn)身性質及溫度有(yǒu)關外,還受剪切速率影響,這就意味著外力大(dà)小及(jí)其作用的時間也能改(gǎi)變流體的黏稠性(xìng)。


在指數流動規律中,非牛頓指數n和稠度係數K均可(kě)由試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非牛頓流體轉(zhuǎn)變(biàn)為牛頓流體,所以n值可用來反映非牛頓流體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(chéng)型中,除了熱固性聚合物和(hé)少數熱塑性聚合物外(wài),大多數聚合物熔體均有近似(sì)假塑(sù)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要是一些固體含量較高的聚合物懸浮液,以及帶有凝膠結構的聚合物溶液和懸浮液,處(chù)於較高剪切速率下的(de)聚氯乙烯糊的流動行為就近似這類流(liú)體。


在一定的成(chéng)型注塑(sù)加工(gōng)工藝條(tiáo)件下,塑料的剪切速率(lǜ)的範圍通常是固定的(de),如壓縮成型時(shí)的剪切速率(lǜ)範圍為1~10s;注射成型(xíng)時(shí)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這種(zhǒng)剪(jiǎn)切速(sù)率範(fàn)圍下的黏度數據,則對(duì)該種塑料在指定 注塑加工成型方法中的操作難易程度就(jiù)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不大於其降解(jiě)溫度且剪切速率為103s-的情況下測得其表觀黏度為50~500Pa·s,則在注射過(guò)程中將不會發生困難(nán)。表觀黏(nián)度過大時(shí),則塑料模的大(dà)小與設計就受(shòu)到較大的限製,同時壓縮塑件很易出現(xiàn)缺陷;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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