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聚合物的流变学性质

在中等剪切速率区域,注塑加工假塑性液体的流变学性质表现为:变形和流动所需要的切应力随剪切速率变化,并呈指数规律增大,变形和流动所受到的粘滞阻力,即液体的表观粘度随剪切速率变化,并呈指数规律减小。这种现象称为假塑性液体的剪切稀化效应。由于大多数热塑性聚合物都具有假塑性液体的流变学性质,所以聚合物熔体在注射成型中发生剪切稀化效应是一个普遍现象。
 
根据粘度的变化性质,聚合物熔体分为牛顿型和非牛顿型两大类。对于牛顿型熔体,可以用牛顿剪切流动规律描述其流变学性质。在流体力学中,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形式。层流时,液体的流动是按许多彼此平行的流层进行的,同一层之间的各点的速度彼此相同。如果增大流动速度,使其超过一定的临界值,则流动即转为湍流。
 
属于膨胀性液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液体或悬浮液,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液体。当作用于假塑性液体的切应力变化时,剪切速率的变化比切应力的变化快得多,而膨胀性液体的流动行为则正好相反。流体的粘度已不是一个常数,他将随着剪切速率或切应力而变化。
 
湍流时,液体各点速度的大小和方向都随时间而变化。层流和湍流以液体的雷诺数区分,大于4000则为湍流。由于注射成型时聚合物熔体的雷诺数一般都远远小于2100,故可将他们的流动形式视为液体层流。理想的层流可看成是一层层相邻的薄层液体沿外力作用方向进行的滑移,各液层都具有平直的平面,彼此完全平行互不干扰,且每层中各点的滑移速度相等,但由于受管壁摩擦的影响,各层之间的滑移速度不同。
 
由于大分子的长链结构和缠绕,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,这类液体流动时切应力与剪切速率不再成正比,熔体的粘度也不是一个常数,因而聚合物熔体的流变行为不服从牛顿流动规律。通常把流动行为不服从牛顿流动规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液体。
 
聚合物的各种成型方法都必须依赖聚合物自身的变形和流动来实现,所以也就相应产生了注塑加工聚合物流变学这样一门学科。它主要研究聚合物在外力作用下产生的应力、应变和应变速率等力学现象与自身粘度之间的关系,以及影响这些关系的各种因素。聚合物在成型过程中的流变学性质主要指剪切粘度随切应力或剪切应变塑料改变而产生的变化。
 
在注射成型中,只有少数聚合物熔体的粘度对剪切速率不敏感,除经常把他们近似为牛顿流体外,其他绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体。表观粘度表征的是非牛顿液体在外力的作用下抵抗剪切变形的能力。由于非牛顿液体的流动规律比较复杂,表观粘度除与流体本身的性质以及温度有关以外,还受剪切速率的影响,这就意味着外力的大小及其作用时间也能改变流体的站黏性。
 
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