塑料加工流变学

单位时间的应变，也称为“剪切梯度”、“速 度梯度”、“应变率”、“变形率”）
流变仪
毛细管流变仪原理
Poiseuille-Hagen定律
r
P r 2L

r gr


r 3 P
8L Q
g
r
4Q r 3
毛细管流变 仪阶段性稳 态剪切速率 使用毛细管流变仪得到的高剪切粘度与使用动态旋 转式流 变仪得到的低剪切粘度同样具有可比性，因为 它们所测的都是“真实的”或绝对粘度。但扭矩式流 变仪则不同，它只是通过测量扭矩间接得到相对粘度。
流变仪
旋转流变仪原理 剪切应力
Shear stress
F
A
单位面积所受的作用力
N m2 Pa
应变
Strain
g v
h
m constant m
单位长度的伸长
剪切速率
Shear rate
g
v dg m 1 s-1 h dt sm s
粘性 （viscous）
粘弹性 （viscoelastic）
弹性 （elastic）
流体
（流动行为）
粘弹性流体
（流动行为）
粘弹性固体
（变形行为）
Newton定律 流动/粘度曲线 稳态流变学
Maxwell定律
Kelvin/Voigt定律
蠕变实验，弛豫实验，振荡实验 动态流变学
高分子材料流变学的研究内容
流变学的概念及应用
1.流变学概念
流变学是研究物质流动及变形规律的科学。也就
是研究材料的流动和变形与造成材料流变的各种因素 之间的关系的一门科学。 所谓变形，是指施加适当的力系于物体上，而使
其形状或大小发生变化。当变形的程度随时间而连续
变化时，就称为流动。
弹性变形（elastic deformation ） 变形
2. 剪切速度与剪切应力
液体受应力作用变形，即流动， 是不可逆过程。 D为剪切速度(rate of shear), 各液 层的速度不同而产生的速度梯度
D=dv/dy
剪切应力（S）：使液层产生相对 运动需施加外力，在单位面积上 所需施加的这种力称剪切应力。
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一切流体的流变性都可以用切变速度D与
剪切力S之间的关系曲线来描述，这种关系曲
置均匀冷却。
（3）调整成型工艺：增大注射压力；增大注射量；增加注
射速度以产生更多的黏滞热，降低熔料粘度。
当模具填充不满时，除了增大注射量和注射速率，加大 流道系统尺寸以便将此流量传送至浇口外，降低塑料熔体的 表观粘度是一种有效的方法。 降低粘度的一种方法是升高温度。因为在剪切速率恒定 时，熔体的表观粘度随温度升高而降低。 降低粘度的另一种方法是提高剪切速率，因为大部分聚 合物属于假塑性流体，其粘度随剪切速率的增加而按指数方 程下降。
高分子材料结构流变学（微观流变学或分子流变学）
高分子材料流变性质与其微观结构-分子链结构，聚集态结构-之间的 联系，建立本构方程，沟通宏观材料流动性质与微观结构参数之间的 联系。
高分子材料加工流变学（宏观流变学或唯象流变学）
主要研究与高分子材料加工工程有关的理论与技术问题。如研究加工 条件变化与材料流动性质（粘度及弹性等）及产品力学性能之间的关 系。材料流动与分子结构及组分结构之间的关系，异常流变现象发生 的规律，原因及克服方法，典型加工成型操作单元过程的流变学分析， 多相体系的流变性质规律，以及同模具与机械设计相关的问题。
锥板转子（Cone-Plate） with dispersions only useful for particles under 5m 圆筒状转子（Cylinder） not recommended for pastes (air bubbles)
平行板（Parallel-plates） useful for gels and pastes
缩短生产周期，提高生产效率，减小能耗
双色注塑成型
两种不同的材料由两个不同的注射单元经过两个浇口注 入到同一个型腔。 材料之间粘合性好，熔体粘度差异尽可能小。
谢谢！
S 为剪切应力
2.2 非牛顿流体

非牛顿流体(nonNewtonian fluid):不符合牛顿流动定律的
液体，如乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏
以及固－液的不稳定体系等

按非牛顿流体流动的曲线类型可分为塑性流动、假塑性 流动、胀性流动、触变流动
A-牛顿流体； B-塑性流体； C-假塑性流体；D-胀性流体； E-触变性流体.
毛细管流变仪
毛细管流变仪由一个加热桶和一个活塞 组成，活塞向熔体施加应力，使之以一 定的剪切速率通过标准口模。口模形状 可以更改（长径比），以测量材料在不 同条件下的流变性能。
无论是旋转流变仪测得的低剪切粘度还是毛细管流变仪测得的高剪切粘度 都是“真实粘度”，或者说“绝对粘度”。
流变仪
旋转及振荡流变仪（rotational and oscillatory rheometers）
g (t)
Time
*(t)
分割为弹性与完全变形行为
*(t)
d来自百度文库
Time
g (t)
t)( “
Time
g (t)
t)( ‘
流变学与模具设计的关系：
为了能有效地进行塑料模具设计和选择材料与
工艺，为了提高塑件的成型加工效率，为了使塑件
制品具有满意的使用性能，关键是对聚合物熔体在
模腔内的流动行为有深刻的了解。因此，在塑料制
3. 流变性的测定
对于塑料流体来说，最重要的流变学特性就是黏 度。动力学黏度计算公式为：
S n( D ) D
黏度的测定方法：
一、旋转流变仪 二、毛细管流变仪
流变仪
旋转流变仪
小角度的振荡，可以提供如熔融黏度、 分子质量、重均分子量分布和聚合物松 弛等。储能（弹性）模量及损耗（粘性） 模量与振荡频率的关系图。
塑性变形（plastic deformation）
应 力：引起变形的作用力F除以作用面积A 的内力 弹 性：除去外部应力时恢复原状的性质 内应力：单位面积上存在的与外力相对抗
黏
性：是液体内部所存在的阻碍液体流
动的摩擦力，也称内摩擦力
粘 弹 性 物 质
流变学（Rheology）：研究物质流动及形变的科学
P
2R
流变仪
测量的参数:
• • • • 变形（应变） 速率/频率 温度 时间
固体(完全弹性)行为
获得的参数
• • • • 模量 粘度 弹性 阻尼性能
流体(完全变形)行为
稳态：一定时间内变形是 固定值（毛细管流变仪） 动态：变形遵循正弦函数 （旋转流变仪） g
*(t)
Time g (t)
粘弹体行为
性能处于良好状态。
填充不足
型腔未完全充满，主要发生在 远离浇口或薄截面的地方，同时 也有因排气不良造成无法注满的 情况。
解决措施
（1）变更塑件设计：应设法使射出的熔料容易流动，如增
大壁厚。 （2）变更模具设计：增加浇口尺寸或数目，以缩短流动长 度。增大流道系统尺寸，以减少流动阻力。增加排气孔尺 寸与数目。将排气孔设置在最后充填区域，以利排气，设
影响聚合物加工的主要流变性能



主要有聚合物的流动性、弹性和断裂特性。 流动性：以黏度的倒数表示流动性。按作用方式的不 同，流动可以分为剪切流动和拉伸流动；相应地有剪 切黏度和拉伸黏度。 弹性：由于聚合物流体流动时，伴随有高弹形变的产 生和贮存，故外力除去后会发生回缩等现象。 断裂特性：是影响聚合物（尤其是橡胶）加工的又一 流变特性，它主要是指生胶的扯断伸长率，以及弹性 与塑性之比。
线称为流变曲线（粘度曲线）。不同流变性
的流体具有不同的流变曲线，根据流变曲线
的不同，流体可以分为以下几种：
一、牛顿流体
二、非牛顿流体
2.1 牛顿流体
牛顿流体的特点：
①一般为低分子的纯液体或稀溶液
②在一定温度下，牛顿液体的粘度为常数， 它只是温度的函数，随温度升高而减小
D 为剪切速度
牛顿黏度定律：在层流条件下的剪切应力与剪切速度成正比 流动方程：D=S/η 特点：1.它的切变速度与剪切应力之间是通过原点的直线关系； 2.斜率为1/η，所以温度一定时，其黏度η是一个常数， 与D 无关，即黏度只是温度的函数(反比)
品的加工过程中，塑料熔体的流变学理论便成为模
具设计者不可缺少的基本理论基础。
流变学在模具设计中的应用：
1.应用流变学可以进行浇注系统的设计，使塑料熔体在流道
中的运动接近等温流动，避免设计经验的不足；
2.根据流变学的基本原理，结合恰当的数值方程，可以实现 充模流动分析； 3.根据流变学原理，可以合理的控制注塑工艺条件如温度、 压力及注射速率等，保证熔体粘度合适，使塑料的成型工艺
影响流动性a的主要因素
分子链支化：短支链使粘度下降，长支链使粘度上升
温度：温度升高，粘度下降 剪切应力和剪切速率： 和 ŕ升高，粘度下降 压力：压力升高，粘度增加 分子量：分子量越高高，粘度增加 分子量分布：分子量相同时，分子量分布窄粘度变化小
添加剂：
炭黑： ①增粘效应。②减弱非牛顿流动体系流动性，提高n值。 碳酸钙：①增容作用，降低成本。增大了粘度，加工性能下降。 增塑剂：①降低熔体粘度，降低熔点，改善流动性。