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温度和压力对黏度的影响

文章来源: 科翔模具 人气:4660 发表时间:2023-05-16 11:17:44

[导读]:影响黏度的主要因素有温度、压力、施加的应力和应变速率等。后两者与黏度的关系前面已经讨论,这里仅分析温度和压力对黏度的影响。

(一)温度对剪切黏度的影响


在成型注塑加工工艺中,对一种表观黏度随温度变化不大的聚合物来说,如仅靠增加温度来增加其流动性能以使它能够 注塑加工成型是错误的,因为温度幅度增加很大,而它的表观黏度却降低有限。另一方面,大幅度地增加温度很可能使聚合物发生降解,从对比角度来看,在注塑加工成型中利用增温来降低聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚酰胺等的表观黏度是可行的,因为增温不多而它的表观黏度却能下降不少。


(二)压力对剪切黏度的影响


由于液体的剪切黏度依赖于分子间的作用力,而作用力又与分子间的距离有关,因而当液体承受压力而使分子间的距离减小时,液体的剪切黏度总是趋于增大。低分子聚合物的液体,其压缩性都很有限,但是属于高分子的聚合物熔体却不然。特别是聚 合物熔体的加工压力通常都比较高,例如在注射模塑中,聚合物常需在150℃下受压达35~ 150MPa,因而它们的压缩性是可观的,其压缩率常可达5%甚至10%以上。实验证明,聚合物熔体在受到压力时,因受压缩率的影响,其黏度定会有所增高,如聚乙烯在压力由100kPa升高到 100MPa时,其表观黏度增加2.5倍,且聚合物 的压缩率不同,其黏度对压力的敏感性也不同。


单纯通过增大压力来提高聚合物熔体的流量是不恰当的,即使在同一压力作用下的同一种聚合物熔体,注塑加工成型时所用设备大小不同,则其流动行为也有差别,因为尽管所受压力相同,所受切应力依然可以不同。事实上,一种聚合物在正常的加工温度范围内,增加压力对黏度的影响和降低温度的影响有相似性。这种在 注塑加工过程中通过改变压 力或温度,都能获得同样的黏度变化的效应称为 压力-温度等效性。例如,对于很多聚合物,压力增加到100MPa时,熔体黏度的变化相当于降 低30~50℃温度的作用。一般在维持黏度恒定的情况下,这一数值并不依赖于相对分子质量。在注射成型注塑加工 生产中考虑压力对黏度的影响时,需要解决关键的问题在于:如何综合考虑生产的经济性、设备和模具的可靠性以及塑件的质量因素,以确保成型 注塑加工工艺能有的注射压力和注射温度。


三、聚合物熔体的黏弹性


聚合物熔体不仅具有黏流性,而且还具有如固体般的弹性,即当熔体受到应力时,一部分消耗于黏性变形;而另一部分变形的将会被熔体储存,一旦外界应力移去,变形就得到恢复。这种现象对低分子液体来说是没有的。在黏弹性流动中弹性行为已不能忽视的液体称为黏弹性液体。液体中的弹性行为是流动过程中聚合物 大分子构象改变所引起的。大分子伸展储存了弹性能,外界应力去除后大分子会部分恢复原来蜷曲的构象,因而引起高弹形变并释放弹性能。实践证明,这种弹性恢复并不是瞬时的,因为大分子构象的恢复过程需要克服内在黏性的阻滞。液体流动是以黏性形变为主还是以弹性形变为主,取决于外力作用时间t与时间t,的关系。


当t》1,时,即外力作用时间比时间长得多时,液体的总形变以黏性形变为主,反之将以弹性形变为主。对于黏度很低的简单液体,1≈10-'s; 对基本上表现为固体的物质,t>10's;一般黏弹性聚合物熔体的时间1,=10-4~10+s.如注射聚甲基丙烯酸甲酯,已知注射温度为230℃,注射时间为2s,其时间约为43x10-s;把注射时间看成外力作用时间,则其远远大于时间,由此可知注射过程中的弹性变形部分是极小的。应该注意的是,即便是少量的弹性变形,也能使熔体产生流 动缺陷,使塑件产生变形。


流动熔体中的弹性形变与聚合物的相对分子质量、外力作用速度或时间以及熔体的温度等有关。一般地,随相对分子质量增大,外力作用时间缩短,当熔体的温度稍高于材料熔点时,弹性现象表现得特别不错。应变关系曲线 YH是总形变的可逆部分,γy则是不 可逆部分,并以形变存在于熔可逆形变回复(0>08)c-成型后可逆形变体中。


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四、热塑性和热固性聚合物流变行为的比较


在通常的注塑加工条件下,对热塑性聚合物加热是一种物理作用,其目的是使聚合物达到黏流态以便于成型,材料在注塑加工 过程所获得的形状必须通过冷却来定型。虽然,由于多次加热和受到加工设备的作用会引起材料内在性质发生一定变化,但并未改变材料整体可塑性的基本特性,特别是材料的黏度在加工条件下基本没有发生不可逆的改变。


但热固性聚合物则不同,加热不仅可使材料熔融,能在压力下产生流动、变形和获得所需形状等物理作用,并且还能使具有活性基团的组分在足够高的温度下产生交联反应,并完成硬化等化学反应。一旦热固性材料硬化后,黏度变为无限大,并失去了再次软化、流动和通过加热而改变形状的能力。可见热固性聚合物在加工过程中黏度的变化规律与热塑性聚合物有着本质的差别。


热塑性聚合物和热固性聚合物流变行为的不同加以说明,热固性聚合物加热初期流动性的增大是由于作用的结果,在达到硬化之前的一段时间,体系黏度随时间的变化不大,过此之后,聚合与交联反应进一步进行,聚合物相对分子质量很快增大而导致流动性迅速减小。


温度对流动性的影响是由黏度和固化速度两种互相矛盾的因素决定的,在较低温度范围内温度对黏度的影响起主导作用,在0...以下,黏度随温度升高而降低,所以交联之前总的流动性随温度上升而增加;而在较高的温度范围,则化学交联反应起主导作用,随温度升高,交联反应速度加快,熔体的流动性迅速降低。


所以,热固性聚合物的交联速度可以通过温度来控制。温度的这种特性正是热固性塑料注射成型中注射机与模具分别采用不同温度的原因,例如,注射的温度是产生黏度而又不引起迅速交联的温度,浇口和模具的温度则应是有利于迅速硬化的温度。因此,对热固性聚合物来说,温度对热固性聚合物流动性的影确的注塑加工工艺的关键是使聚合物组分在交联之前完成流动过程。切应力或剪切速率对熔体流动性有一定的影响,有流动性的趋势,但影响过程是复杂的,目前还无定性的研究。


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