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注塑加工廠牛頓流體(tǐ)及其流變(biàn)方程

文章來源: 免费91模具 人氣:9059 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流兩種。層流(liú)時,液體的流動是按許多彼此平行的流層進(jìn)行的;同流層之間的各點速度彼此相(xiàng)同,但各層之間的速度卻不一定相等,而且各層之間也無明(míng)顯的(de)相互影響。如果增大(dà)流動速度而(ér)使其超(chāo)過一定的臨界值(zhí),則流動形式轉為湍流,湍流時液體各點速度的(de)大小和方向都隨時間(jiān)而變化。層流與(yǔ)湍流的區分以(yǐ)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(hé)物分散體的(de)雷諾數常不止此數(shù),但也不會大於2100,所以它們的流動(dòng)基本上是層流。


為了研究流體流動的性質,可以把層(céng)流流動看成是一層(céng)層(céng)彼此相鄰的薄層液體沿外(wài)力作用(yòng)方向進行的相對滑移(yí)。液層是平直的平(píng)麵,彼(bǐ)此之間完(wán)全平行。F為外部作用於整個液體的恒定剪切力,A為向兩端無限延伸的液層麵積(jī)。管壁附 dv 近液層同時受到液體黏性阻力(lì)和管壁摩擦力的作用,在管(管壁)摩擦力(lì)壁上液層的移動速度為(wéi)零。這樣,就可以用(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行為時,發現切應力(lì)和剪切速率之間存(cún)在著一定關係,說明液層單位(wèi)表麵上所加的切應力r與液(yè)層間的速度(dù)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屬性,反(fǎn)映了液體的(de)黏稠性,n的大小表征液體抵抗外力引起形變的能力,不同(tóng)液體的n值不同,與其分子結構和所處溫度有關。描述了層流液體簡單的規律,通常稱為(wéi)牛頓流動定律,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(niú)頓流體。其特(tè)征為應變(biàn)隨應力作用的時間(jiān)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(xíng)保持下(xià)來。


由於大分子(zǐ)的長鏈結構和纏結,聚(jù)合物熔(róng)體的流動行為遠比(bǐ)低分子液體複雜。在寬廣的剪切速率範圍內,這類液體流動時剪切力和剪切速率不再成比例關係,液體的黏(nián)度也不是一個常數,因而(ér)聚(jù)合物熔體的流變行為不服從牛頓流動定律。通(tōng)常(cháng)把流動行為(wéi)不(bú)服從牛頓流動定(dìng)律的流(liú)動稱為非牛頓型流動(dòng),具有這(zhè)種流動行為的液體稱為非牛頓流體。此時,大多數聚(jù)合物都表現為非牛(niú)頓流體。

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塑(sù)料成型注(zhù)塑加工中常用(yòng)聚合物在非牛頓流體狀態(tài)剪切速率下的流動曲線。它們已不再是簡單(dān)的直線(xiàn),不(bú)同類型流(liú)體的流(liú)動曲線是向上或向下彎曲的複(fù)雜曲線。當作用於假塑性流體(tǐ)的切應力變化時,剪切(qiē)速率的變(biàn)化要比(bǐ)切應力的變化快得多。而膨脹性流體的流變行為則(zé)正好相反,流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(dù)已不是一個常數,它隨剪切速率或切應(yīng)力而變化。


因此(cǐ),將非牛頓流(liú)體的黏度(dù)定義為表觀黏度n。由(yóu)Ostwald-De Waele 提出(chū)的所謂指數定律方(fāng)程是一(yī)種較能反映黏性流體流變(biàn)性(xìng)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(dìng)的成型注塑加工過程來說,剪切(qiē)速率總(zǒng)不可(kě)能很寬,因此,指數(shù)定律在(zài)分析液體的流變行為、加工的計算以及 注塑加工設備(bèi)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溫下於給定的剪切速率範圍內流動時,切應力和剪切(qiē)速率具有指數函數關係(xì)。


表觀(guān)黏度表征的是非牛頓流體在外力(lì)作(zuò)用下抵抗剪(jiǎn)切變形的能(néng)力,表觀黏度除與流體本身性質及溫度有關(guān)外,還受剪切速率影響(xiǎng),這就意味(wèi)著外力大小及其作用的時間也能改變流體的黏稠性。


在指(zhǐ)數流動規律中,非(fēi)牛頓指數n和稠度係數K均可由(yóu)試驗測定。當n=1時,na=K= n,這意味著非(fēi)牛頓流體轉變為牛(niú)頓流體,所以(yǐ)n值可用來反映非牛頓流體(tǐ)偏離牛頓流體性質的程度。n<1時,稱為假塑性流體(tǐ)。在注(zhù)射成型中,除了熱固性聚合物和(hé)少數熱(rè)塑性(xìng)聚合物外,大多(duō)數聚合物熔體均(jun1)有近似假(jiǎ)塑性流體的流變學性質。n>1時,稱(chēng)為(wéi)膨脹(zhàng)性流體。屬於膨脹性流體的主要是(shì)一些固體含(hán)量較高的(de)聚合物懸浮液,以及帶有凝(níng)膠結構的聚合物溶液和懸浮液,處於較高剪切速率(lǜ)下的聚氯乙烯糊(hú)的流動(dòng)行(háng)為就近似(sì)這類流體。


在一定(dìng)的成型注塑(sù)加工(gōng)工(gōng)藝條件下,塑料的剪(jiǎn)切速率的範圍通常是固定的,如壓縮成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(děng)。對於(yú)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能作出初步判斷。譬如在注射成型(xíng)時,如果某一塑料熔體在(zài)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(guān)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大的(de)限製,同時壓縮塑件很(hěn)易出現缺陷;過小(xiǎo)時(shí),溢料的現象比較嚴重,塑件質量也會(huì)產生問題。


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