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注塑加工厂牛顿流体及其流变方程

文章来源: 科翔模具 人气:3981 发表时间:2023-05-16 11:37:34

[导读]:聚合物在注塑加工成型过程中,除极少数几种工艺外,大部分工艺均要求它处于黏流态,因为在这种状态下的聚合物不仅易于流动,而且易于变形。液体的流动和变形都是在受应力作用的情况下得以实现的。重要的应力有切应力r、拉伸应力σ和流体静压力p三种。三种应力中,切应力对塑料的 注塑加工成型为重要,因为成型时聚合物熔体或分散体在设备或模具中流动的压力降、所需功率以及塑件的质量等都受它的制约。

众所周知,液体在平直圆管内受切应力而发生流动的形式有层流和湍流两种。层流时,液体的流动是按许多彼此平行的流层进行的;同流层之间的各点速度彼此相同,但各层之间的速度却不一定相等,而且各层之间也无明显的相互影响。如果增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变化。层流与湍流的区分以雷诺数(Re)为准,在成型注塑加工 过程中,聚合物熔体流动时的雷诺数常小于10,而聚合物分散体的雷诺数常不止此数,但也不会大于2100,所以它们的流动基本上是层流。


为了研究流体流动的性质,可以把层流流动看成是一层层彼此相邻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,彼此之间完全平行。F为外部作用于整个液体的恒定剪切力,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,在管(管壁)摩擦力壁上液层的移动速度为零。这样,就可以用剪切速率来代替速度梯度,两者在数值上相等。


牛顿(Newton)在研究低分子液体的流动行为时,发现切应力和剪切速率之间存在着一定关系,说明液层单位表面上所加的切应力r与液层间的速度梯度成正比,n为比例常数,称为牛顿黏度。它是液体自身所固有的属性,反映了液体的黏稠性,n的大小表征液体抵抗外力引起形变的能力,不同液体的n值不同,与其分子结构和所处温度有关。描述了层流液体简单的规律,通常称为牛顿流动定律,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牛顿流体。其特征为应变随应力作用的时间线性地增加,且黏度保持不变,应变具有不可逆性质,应力解除后应变以变形保持下来。


由于大分子的长链结构和缠结,聚合物熔体的流动行为远比低分子液体复杂。在宽广的剪切速率范围内,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个常数,因而聚合物熔体的流变行为不服从牛顿流动定律。通常把流动行为不服从牛顿流动定律的流动称为非牛顿型流动,具有这种流动行为的液体称为非牛顿流体。此时,大多数聚合物都表现为非牛顿流体。

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塑料成型注塑加工中常用聚合物在非牛顿流体状态剪切速率下的流动曲线。它们已不再是简单的直线,不同类型流体的流动曲线是向上或向下弯曲的复杂曲线。当作用于假塑性流体的切应力变化时,剪切速率的变化要比切应力的变化快得多。而膨胀性流体的流变行为则正好相反,流体中剪切速率的变化比切应力的变化要慢。很明显,流体的黏度已不是一个常数,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度n。由Ostwald-De Waele 提出的所谓指数定律方程是一种较能反映黏性流体流变性质的经验性表达式,在有限的范围内有相当好的准确性,且形式简单。对一定的成型注塑加工过程来说,剪切速率总不可能很宽,因此,指数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有指数函数关系。


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


在指数流动规律中,非牛顿指数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。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聚合物外,大多数聚合物熔体均有近似假塑性流体的流变学性质。n>1时,称为膨胀性流体。属于膨胀性流体的主要是一些固体含量较高的聚合物悬浮液,以及带有凝胶结构的聚合物溶液和悬浮液,处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊的流动行为就近似这类流体。


在一定的成型注塑加工工艺条件下,塑料的剪切速率的范围通常是固定的,如压缩成型时的剪切速率范围为1~10s;注射成型时为103~105s-;压注成型时为102~103s等。对于给定的塑料来说,如果通过实验求得了在这种剪切速率范围下的黏度数据,则对该种塑料在指定 注塑加工成型方法中的操作难易程度就能作出初步判断。譬如在注射成型时,如果某一塑料熔体在温度不大于其降解温度且剪切速率为103s-的情况下测得其表观黏度为50~500Pa·s,则在注射过程中将不会发生困难。表观黏度过大时,则塑料模的大小与设计就受到较大的限制,同时压缩塑件很易出现缺陷;过小时,溢料的现象比较严重,塑件质量也会产生问题。


标题:注塑加工厂牛顿流体及其流变方程 网址:http://www.szkexiang.com/news/show/id/1654.html

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文章关键词:注塑加工厂牛顿流体及其流变方程,注塑模具,注塑模具厂家
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