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注塑加(jiā)工厂牛顿流体及其流变方程

文章来(lái)源: 免费91模具 人气:7602 发表时间:2023-05-16 11:37:34

众所(suǒ)周知,液体在平直圆管内受切应力而发生(shēng)流动的形式(shì)有层流和湍流两种(zhǒng)。层流时,液(yè)体的流动是按许多彼(bǐ)此平(píng)行的流层进行的;同流层(céng)之间的各点速度彼此相同,但各层之间的速(sù)度却不(bú)一定相等,而且各层之间也无明(míng)显的相(xiàng)互影响。如果增(zēng)大流动速度而使其超过一定的临界值,则流动形式转为湍流,湍流时液体各点速度的大小和方向都随时间而(ér)变化。层流与湍流的区分以雷诺数(Re)为准,在(zài)成型注塑加工 过程中,聚合(hé)物熔体流动时的雷(léi)诺数常小于10,而聚合物分散体的(de)雷诺数常不止此数,但也(yě)不(bú)会大(dà)于2100,所以它们的流动基本上是层流。


为了研究(jiū)流体流动的性质,可以把层流流动看成是一层层彼此相邻(lín)的薄层液体沿外力作用方向进行的相对滑移。液层是平直的平面,彼此(cǐ)之间完全平(píng)行。F为外部作用于(yú)整(zhěng)个液(yè)体的恒定(dìng)剪切力,A为向两端无限延伸的液层面积。管壁附 dv 近液层同时受到液体黏性阻力和管壁摩擦力的作用,在(zài)管(管壁)摩擦力壁上液层的移动(dòng)速度为零。这样,就可以用剪(jiǎn)切速率来代替速度梯度,两者(zhě)在数值上相等。


牛顿(Newton)在研究低分子液体的流动行为时,发(fā)现切应力和剪切速(sù)率之(zhī)间存在着一定关系,说明液层单位表面(miàn)上所加的切应力r与液层间的(de)速度梯度成正比(bǐ),n为比例常数,称为牛顿黏(nián)度。它是液体自身所固有(yǒu)的属性(xìng),反映了(le)液体的黏稠性,n的大小表(biǎo)征液体抵抗(kàng)外力引起形变的(de)能力(lì),不同液体的n值不同,与其分子结(jié)构(gòu)和所处温度有关。描述了层流液体简单的规律,通常称为(wéi)牛顿流动定律,即牛顿流体的流变方程。凡液体层流时符合牛顿流动定律的通称为(wéi)牛顿流体。其(qí)特征为应(yīng)变随应力作用的时间线性地增加,且黏度保持不变,应变具有不可逆(nì)性质,应力解除后应变以变形保持下来。


由于大分子(zǐ)的长链结构和缠结,聚合物熔体的(de)流动行(háng)为远比低分子液体复杂。在宽广的剪(jiǎn)切速率范围内,这类液体流动时剪切力和剪切速率不再成比例关系,液体的黏度也不是一(yī)个常数(shù),因而聚合物熔体的流变行为不服从牛顿流动定律。通常(cháng)把流动(dòng)行为不服从牛顿(dùn)流动定律的流动称为非牛顿型流动,具(jù)有这种流动行为的液体称为非牛顿流体。此时(shí),大多数聚合物都表现为非牛顿流体。

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塑料成型注塑(sù)加工中常用聚(jù)合物在(zài)非牛顿流体状态剪切速率下的流动曲线。它们已(yǐ)不再是简单的直线(xiàn),不(bú)同类型流体的流动曲线是向上或向下弯曲的(de)复杂曲线。当作用(yòng)于假塑性流体的(de)切应力变化时,剪切速率的变化要比切应力(lì)的变化快得多。而膨胀性流体的(de)流变行为则正好相反,流体中剪切速率(lǜ)的变化比切应力的变化要慢(màn)。很明显,流体的黏度已不(bú)是一个常数,它随剪切速率或切应力而变化。


因此,将非牛顿流体的黏度定义为表观黏(nián)度n。由Ostwald-De Waele 提出的所谓(wèi)指数定律方程是一种较(jiào)能反映黏(nián)性流体流变性质的经验性表达式(shì),在有限的范围内有(yǒu)相当好的准确(què)性,且形式简单。对一定的成型注塑加工(gōng)过程来说,剪切速(sù)率(lǜ)总不可能(néng)很宽,因此,指数(shù)定律在分析液体的流变行为、加工的计算以及 注塑加工设备或模具的(de)设计等方面都较成功。该定律认为:聚合物黏性流体在定温下于给定的剪切速率范围内流动时,切应力和剪切速率具(jù)有指数函数关系。


表观黏度表征(zhēng)的是非牛顿(dùn)流体(tǐ)在外力作用下抵抗(kàng)剪切变形的能力,表观黏度除与流体(tǐ)本身性质及温度有关外,还受剪切速率影响,这就意味(wèi)着外力大小及其作用的时(shí)间也能改变流体的黏稠性。


在指数(shù)流动规律中,非牛顿指数(shù)n和稠度系数K均可由试验测定。当n=1时,na=K= n,这意味着非牛顿流体转变为牛顿流体,所以n值可用来反映非牛顿流体偏离牛顿流体性质的程度(dù)。n<1时,称为假塑性流体。在注射成型中,除了热固性聚合物和少数热塑性(xìng)聚合物外(wài),大多(duō)数聚合物熔体均有近(jìn)似假塑性流体的流变(biàn)学(xué)性质。n>1时,称为膨胀(zhàng)性流体。属于膨胀性(xìng)流体的主要是一些固体含量较高的聚合物悬(xuán)浮液,以及带有凝胶结构的聚合物溶液(yè)和悬浮(fú)液,处于较高剪切(qiē)速率下的聚氯乙烯糊的流(liú)动行为就近似这类(lèi)流体。


在一定的成型注塑加工工艺条件下,塑料(liào)的剪切速率的范围通常是固定的,如(rú)压缩成型时(shí)的剪切速率范围为1~10s;注射成型时(shí)为103~105s-;压注成型时为102~103s等。对于(yú)给定(dìng)的塑料来(lái)说,如果通过实验求得了(le)在这种剪(jiǎn)切速率范围下的黏(nián)度数据,则(zé)对(duì)该种塑料在指定(dìng) 注塑加工成型方法中的(de)操作难易程(chéng)度就能作出初步判断。譬如(rú)在注(zhù)射成型时,如果某一塑料熔体在温度不大于其降(jiàng)解温度(dù)且剪切速率为103s-的情况下测得其表观黏度为50~500Pa·s,则在注射(shè)过程中将不会发生困难。表(biǎo)观黏度过大(dà)时,则塑料模的大小与设计就受到较大的限制(zhì),同时压缩塑件很易(yì)出现缺陷;过小时,溢料的现象比较严重,塑件质量也会(huì)产生问题。


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