塑料加工流變學

1、流變學的概念及應用1.1.流變學概念流變學概念 流變學流變學是是研究物質研究物質流動流動及及變形變形規(guī)律規(guī)律的科學的科學。也就。也就是研究材料的流動和變形與造成材料流變的各種因素是研究材料的流動和變形與造成材料流變的各種因素之間的關系的一門科學。之間的關系的一門科學。 所謂變形，是指施加適當的力系于物體上，而使所謂變形，是指施加適當的力系于物體上，而使其其形狀形狀或或大小大小發(fā)生變化。當變形的程度隨時間而連續(xù)發(fā)生變化。當變形的程度隨時間而連續(xù)變化時，就稱為流動。變化時，就稱為流動。內應力：單位面積上存在的與外力相對抗內應力：單位面積上存在的與外力相對抗 的內力的內力應應 力：引起變形的作用力力

2、：引起變形的作用力F F除以作用面積除以作用面積A A彈彈 性：除去外部應力時恢復原狀的性質性：除去外部應力時恢復原狀的性質黏黏 性：是液體內部所存在的阻礙液體流性：是液體內部所存在的阻礙液體流 動的摩擦力，也稱內摩擦力動的摩擦力，也稱內摩擦力粘粘彈彈性性物物質質 彈性變形（彈性變形（elastic deformationelastic deformation）變形變形 塑性變形（塑性變形（plastic deformationplastic deformation）流變學（Rheology）：研究物質流動及形變的科學流體（流動行為）Newton定律粘彈性流體（流動行為）Maxwell定律粘彈

3、性固體（變形行為）Kelvin/Voigt定律流動/粘度曲線蠕變實驗，弛豫實驗，振蕩實驗穩(wěn)態(tài)流變學動態(tài)流變學彈性（elastic）粘性（viscous）粘彈性（viscoelastic）u 高分子材料結構流變學（微觀流變學或分子流變學）高分子材料結構流變學（微觀流變學或分子流變學） 高分子材料流變性質與其微觀結構-分子鏈結構，聚集態(tài)結構-之間的聯(lián)系，建立本構方程，溝通宏觀材料流動性質與微觀結構參數之間的聯(lián)系。u 高分子材料加工流變學（宏觀流變學或唯象流變學）高分子材料加工流變學（宏觀流變學或唯象流變學） 主要研究與高分子材料加工工程有關的理論與技術問題。如研究加工條件變化與材料流動性質（粘度及

4、彈性等）及產品力學性能之間的關系。材料流動與分子結構及組分結構之間的關系，異常流變現象發(fā)生的規(guī)律，原因及克服方法，典型加工成型操作單元過程的流變學分析，多相體系的流變性質規(guī)律，以及同模具與機械設計相關的問題。高分子材料流變學的研究內容7 液體受應力作用變形，即液體受應力作用變形，即流動流動，是不可逆過程。是不可逆過程。 D為為剪切速度剪切速度(rate of shear), 各液各液層的速度不同而產生的速度梯度層的速度不同而產生的速度梯度D=dv/dy剪切應力剪切應力（S）：使液層產生相對）：使液層產生相對運動需施加外力，在單位面積上運動需施加外力，在單位面積上所需施加的這種力稱剪切應力。所需

5、施加的這種力稱剪切應力。2. 剪切速度與剪切應力 一切流體的流變性都可以用切變速度一切流體的流變性都可以用切變速度D D與與剪切力剪切力S S之間的關系曲線來描述，這種關系曲之間的關系曲線來描述，這種關系曲線稱為線稱為流變曲線（粘度曲線）流變曲線（粘度曲線）。不同流變性。不同流變性的流體具有不同的流變曲線，根據流變曲線的流體具有不同的流變曲線，根據流變曲線的不同，流體可以分為以下幾種：的不同，流體可以分為以下幾種： 一、牛頓流體一、牛頓流體 二、非牛頓流體二、非牛頓流體牛頓流體的特點牛頓流體的特點： 一般為低分子的純液體或稀溶液一般為低分子的純液體或稀溶液在在一定溫度一定溫度下，牛頓液體的粘度

6、下，牛頓液體的粘度 為常數，為常數，它只是溫度的函數，隨溫度升高而減小它只是溫度的函數，隨溫度升高而減小牛頓黏度定律：在層流條件下的剪切應力與剪切速度成正比牛頓黏度定律：在層流條件下的剪切應力與剪切速度成正比流動方程：流動方程：D=S/ 特點：特點：1.它的切變速度與剪切應力之間是通過原點的直線關系；它的切變速度與剪切應力之間是通過原點的直線關系； 2.斜率為斜率為1/，所以溫度一定時，其黏度，所以溫度一定時，其黏度是一個常數，是一個常數， 與與D 無關，即黏度只是溫度的函數無關，即黏度只是溫度的函數(反比反比)2.1 2.1 牛頓流體牛頓流體非牛頓流體非牛頓流體(nonNewtonian f

7、luid):不符合牛頓流動定律的不符合牛頓流動定律的乳劑、混懸劑、高分子溶液、膠體溶液、軟膏乳劑、混懸劑、高分子溶液、膠體溶液、軟膏以及固液的不穩(wěn)定體系等以及固液的不穩(wěn)定體系等按非牛頓流體流動的曲線類型可分為按非牛頓流體流動的曲線類型可分為塑性流動、假塑性塑性流動、假塑性流動、脹性流動、觸變流動流動、脹性流動、觸變流動2.2 2.2 非牛頓流體非牛頓流體 A-牛頓流體；牛頓流體； B-塑性流體；塑性流體； C-假塑性流體；假塑性流體；D-脹性流體；脹性流體； E-觸變性流體觸變性流體.影響聚合物加工的主要流變性能影響聚合物加工的主要流變性能 n主要有聚合物的主要有聚合物的流動性流動性、彈性彈性

8、和和斷裂特性斷裂特性。n流動性流動性：以黏度的倒數表示流動性。：以黏度的倒數表示流動性。按作用方式的不按作用方式的不同，流動可以分為剪切流動和拉伸流動；相應地有剪同，流動可以分為剪切流動和拉伸流動；相應地有剪切黏度和拉伸黏度。切黏度和拉伸黏度。n彈性彈性：由于聚合物流體流動時，伴隨有高彈形變的產由于聚合物流體流動時，伴隨有高彈形變的產生和貯存，故外力除去后會發(fā)生回縮等現象。生和貯存，故外力除去后會發(fā)生回縮等現象。n斷裂特性斷裂特性：是影響聚合物（尤其是橡膠）加工的又一：是影響聚合物（尤其是橡膠）加工的又一流變特性，它主要是指生膠的扯斷伸長率，以及彈性流變特性，它主要是指生膠的扯斷伸長率，以及彈

9、性與塑性之比。與塑性之比。影響流動性a的主要因素溫度溫度：溫度升高，粘度下降剪切應力和剪切速率剪切應力和剪切速率： 和 升高，粘度下降壓力壓力：壓力升高，粘度增加添加劑添加劑：炭黑： 增粘效應。減弱非牛頓流動體系流動性，提高n值。碳酸鈣：增容作用，降低成本。增大了粘度，加工性能下降。增塑劑：降低熔體粘度，降低熔點，改善流動性。分子量分子量：分子量越高高，粘度增加分子量分布分子量分布：分子量相同時，分子量分布窄粘度變化小分子鏈支化分子鏈支化：短支鏈使粘度下降，長支鏈使粘度上升3. 流變性的測定流變性的測定 對于塑料流體來說，最重要的流變學特性就是黏對于塑料流體來說，最重要的流變學特性就是黏度。動

10、力學黏度計算公式為：度。動力學黏度計算公式為：DSDn)(黏度的測定方法：一、旋轉流變儀二、毛細管流變儀流變儀旋轉流變儀毛細管流變儀無論是旋轉流變儀測得的低剪切粘度還是毛細管流變儀測得的高剪切粘度都是“真實粘度”，或者說“絕對粘度”。小角度的振蕩，可以提供如熔融黏度、分子質量、重均分子量分布和聚合物松弛等。儲能（彈性）模量及損耗（粘性）模量與振蕩頻率的關系圖。 毛細管流變儀由一個加熱桶和一個活塞組成，活塞向熔體施加應力，使之以一定的剪切速率通過標準口模?？谀Ｐ螤羁梢愿模ㄩL徑比），以測量材料在不同條件下的流變性能。 旋轉及振蕩流變儀（rotational and oscillatory rhe

11、ometers）圓筒狀轉子（Cylinder）not recommendedfor pastes (air bubbles)錐板轉子（Cone-Plate）with dispersionsonly useful forparticlesunder 5m平行板（Parallel-plates）useful for gels and pastes流變儀Shear stressPamNAF2 Shear rate剪切應力單位面積所受的作用力剪切速率Strain應變單位長度的伸長 1ss1smmhv- - g g dg gdt單位時間的應變，也稱為“剪切梯度”、“速度梯度”、“應變率”、“變形率”）h

12、vg gconstantmm流變儀旋轉流變儀原理LrPr234rQrgQPLrrr83gPoiseuille-Hagen定律P2R流變儀 使用毛細管流變儀得到的高剪切粘度與使用動態(tài)旋轉式流 變儀得到的低剪切粘度同樣具有可比性，因為它們所測的都是“真實的”或絕對粘度。但扭矩式流變儀則不同，它只是通過測量扭矩間接得到相對粘度。 毛細管流變儀原理毛細管流變儀階段性穩(wěn)態(tài)剪切速率測量的參數:變形（應變）速率/頻率溫度時間獲得的參數模量粘度彈性阻尼性能流變儀g *(t)Timeg (t)分割為彈性與完全變形行為 固體(完全彈性)行為流體(完全變形)行為粘彈體行為Timeg (t) *(t)Timeg (t

13、) “( t) (t) *(t)Timeg (t)d穩(wěn)態(tài)：一定時間內變形是固定值（毛細管流變儀）動態(tài)：變形遵循正弦函數（旋轉流變儀） 為了能有效地進行塑料模具設計和選擇材料與工藝，為了提高塑件的成型加工效率，為了使塑件制品具有滿意的使用性能，關鍵是對聚合物熔體在模腔內的流動行為有深刻的了解。因此，在塑料制品的加工過程中，塑料熔體的流變學理論便成為模具設計者不可缺少的基本理論基礎。流變學與模具設計的關系：1.應用流變學可以進行澆注系統(tǒng)的設計，使塑料熔體在流道中的運動接近等溫流動，避免設計經驗的不足；2.根據流變學的基本原理，結合恰當的數值方程，可以實現充模流動分析；3.根據流變學原理，可以合理的

14、控制注塑工藝條件如溫度、壓力及注射速率等，保證熔體粘度合適，使塑料的成型工藝性能處于良好狀態(tài)。流變學在模具設計中的應用：流變學在模具設計中的應用：填充不足 型腔未完全充滿，主要發(fā)生在遠離澆口或薄截面的地方，同時也有因排氣不良造成無法注滿的情況。解決措施（1）變更塑件設計：應設法使射出的熔料容易流動，如增大壁厚。（2）變更模具設計：增加澆口尺寸或數目，以縮短流動長度。增大流道系統(tǒng)尺寸，以減少流動阻力。增加排氣孔尺寸與數目。將排氣孔設置在最后充填區(qū)域，以利排氣，設置均勻冷卻。（3）調整成型工藝調整成型工藝：增大注射壓力；增大注射量；增加注射速度以產生更多的黏滯熱，降低熔料粘度降低熔料粘度。 當模具填充不滿時，除了增大注射量和注射速率，加大流道系統(tǒng)尺寸以便將此流量傳送至