塑料成型工艺学第二章

• 忽略聚合物熔体的弹性（这将在以后讨 论），将非牛顿流体归为两个系统。分别： 粘性系统（主要），时间依赖系统。
1．粘性系统 发生流动时的特性是:其剪切速率只依赖于 所施加剪切应力的大小。 可分为宾哈流体、假塑性流体和膨胀性流体。
(1)
宾哈流体
与牛顿流体相同，其剪切应力和剪切速率的关系表现为 直线。 不同:剪切应力高至一定值τy后才发生塑性流动。 使流体产生流动的最小应力τy，称为屈服应力。宾哈流 体的流动方程为：
dv ˆ y p pr dr
式中ηp称为刚度系数，等于流动曲线的斜率。
• 宾哈流体机理：静止时形成了凝胶结构， 外力超过τy时这种三维结构即受到破坏。 • 实例：牙膏、油漆、润滑脂、钻井用的 泥浆、下水污泥、聚合物在良溶剂中的 浓溶液和凝胶性糊塑料等属于或接近于 宾哈流体。
（2）假塑性流体 表现的流动曲线是非直线的。但并不存在屈服应 力。流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。 大多数聚合物的熔体，也是塑料成型中处理最多的 一类物料，以及所有聚合物在良溶剂中的溶液，其 流动行为都具有假塑性流体的特征。
牛顿流体：描述流体层流的最简单规律是牛顿流动定律。该 定律称：当有剪切应力τ（用N/m2或Pa表示）于定温下施加 到两个相距为办的流体平行层面并以相对速度dv运动（见图 2－1），则剪切应力与剪切速率dv／dr（s－）之间呈直线关 系，可表示如式 ：
dv r dr
式中η为比例常数，称为切变粘度系数或牛顿粘度， 简称粘度，单位为Pa.S。
.n dv K K r dr
n
式中K与n均为常数（n＜1）。K是这种流 体稠度的一种量度，流体粘稠性越大时，K值 就越高；n是判定流体与牛顿流体的差别程度 的。n值离整数1越远时，流体的非牛顿性就越 强；n为1时，流体即为牛顿流体。
指数函数仅是描述假塑性流体流动行为的一种方式。 从工程角度讲，在解决具体问题时要求一个公式描述流 体流动的剪切应力范围并不十分宽，所以多采用简单经 验性的指数函数。 表示假塑性流体流动行为的指数函数，还可以用另一种 形式表示（2-5）
牛顿流体 • 层流：液体主体 的流动是按许多彼此 平行的流层进行的，同一流层之间的各 点速度彼此相同，但各层之间 的速度 却不一定相等，而且各层之间也无可见 的扰动。 • 湍流：流动速度增大且超过临界值时则 流动转变为湍流。 • 临界： Dv Re

• 式中D为管道直径，v为液体流动的平均 速度，ρ为流体的密度。η为流体的剪 切粘度。对通过流体而言，凡 Re<2100~2300，均为层流；当Re＝ 2300～4000时，为过渡流；当Re>4000时 则为湍流。 • 聚合物流体的粘度大，流速低，在成型 中其Re<10,一般为层流。
图2－4是在对数坐标上绘制的聚合物熔体 的流动曲线。
图2－4是在对数坐标上绘制的聚合物熔体的流动曲 线。A与B是分别在温度Tl和T下所绘的曲线，T1＜T2。A与B 两条曲线均接近于直线。 曲线 直线 如果将剪切应力或剪切速率的范围缩小，则A和B将更 接近于直线。近似的直线在剪切应力轴上所跨越的范围约 为一个数量级，而在剪切速率轴上则约为一个半到两个数 量级。由此可以得知：在任何给定范围内，剪切应力和剪 切速率的关系可用指数定律来描述，即：
2.2
聚合物的流变行为
一、剪切粘度和牛顿流动
熔体与分散体： 常态（结晶态、玻璃 态），高弹态，粘流态。 应用种类： 液体的流动和变形都是在受有 应力的情况下得以实现的。重要的应力 有剪切、拉伸和压缩应力三种。
•剪切应力：剪切使流体克服阻力而流动设备中， 模具中；一般把流体看成许多层，层与层之间的 作用力。 •拉伸应力：与剪切应力共同出现的，（聚合物 流体的特性之一） 例如：吹塑中型坯的引伸，吹塑薄膜时泡管的膨 胀，塑料熔体在锥形流道内的流动，及单丝的生 产等等。 •压缩应力：聚合物是可压缩流体，某些情况出 现影响。（理论研究缺乏）
熔体，原因在于其中大分子彼此之间的缠 结。当缠结的大分子承受应力时，其缠结点就 会被解开，同时还沿着流动的方向规则排列， 因此就降低了粘度。 缠结点被解开和大分子规则排列的程度 是随应力的增加而加大的。显然，这种大分子 缠结的学说，也可用以说明聚合物熔体粘度随 剪切应力增加而降低的原因。
dv . m r k dr
式中k与m也是常数（m＞1）。K称为 流动度或流动常数，k值越小时表明流体 越粘稠，也是越不易流动。
各个参数的关系如下：
1 K k
n
a

r
.
a K
k
. m
. n 1
a k
1 m
Leabharlann Baidu

1 m . m
•假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增 加而下降的原因与流体分子的结构有关。 •机理如下： 溶液，当它承受应力时，原来由溶剂化作用 而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就 会被挤出，这样，粒子或盘绕大分子的有效直径 即随应力的增加而相应地缩小，从而使流体粘度 下降。 因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成 正比，但不一定是线性关系。
牛顿型流体的流动曲线是通过原点的直线，该直 线与r轴夹角θ的正切值是牛顿粘度值（图2－2）。
高聚物的熔体：大部分只能在剪切应力很小时才能符合 牛顿流体，大部分不符合牛顿流体；聚合物分散体溶液 在成型过程中也不是牛顿流体。非牛流体
二、非牛顿型流体及流动
• 非牛顿型流体：流动行为不遵从牛顿流动 定律的，均称为。 • 表观粘度：剪切应力和剪切速率的比值不 再称为粘度而称为， 在一定温度下并不是 一个常数，可随剪切应力、剪切速率而变 化，甚至有些还随时间而变化。
• 塑料成型是工程技术， 将塑料转变为 具有使用价值、 保持原有性能，或超过原有性能的材料和制品。 • 过程中的变化， 物理变化、化学变化，形态结构改变， 表现性能改变。必须对这些变化有所认识。 • 研究目的： 原料配方，工艺、设备提出合理的要求。 对材料进行结构和性能设计，构造出能满足不同场合 需要的材料和制品。 • 内容：聚合物的流变、传热、结晶、定向和化学反应 等现象。其它的一些内容，则将分散在以后各章中讨 论。