1、塑料成型工藝C A I課件吉林大學珠海學院機電系第二章塑料成型的理論基礎21 概述 22聚合物的流動和流變行為221剪切粘度和非牛頓流動 如所周知的，液體在平直導管內受剪切應力而發生流動的形式有層流和湍流兩種。 層流時，液體主體的流動是按許多彼此平行的流層進行的，同一流層之間的各點速度彼 此相同，但各層之間的速度卻不一定相等，而且各層之間也無可見的騷擾。如果將流動 速度增大而使其超過一定的臨界值，則流動即轉為湍流，湍流時，液體點速度的大小和方向都隨時間而變化，此時液體內即會出現騷擾。 層流和湍流的區分系以雷諾準數(Re)為準，它是由下式定義的：式中D為導管的直徑；V為液體的平均速度：p為液體的

2、密度； 為液體的剪切粘度。對通常液體來說，凡Re21004000時均為層流，過此則為湍流。在成型過程中，聚合物熔體流動時的雷諾準數常小于l0，而聚合物分散體的則常不止此數，但也不會大于2100，所以它們的流動按照上述的說法應該都是層流，事實上亦正如此。但必須指出，在少數情況下容有例外，因為限定這些液體層流的條件不僅有雷諾準數，而且還有彈性雷諾準數(Re)。這將在226節討論。 描述液體層流的最簡單規律是牛頓流動定律。該定律稱：當有剪切應力t(一般用達因-秒厘米2。表示)，于定溫下，加于兩個相距為dr的液體平行層面以相對速度dv移動時(見圖2一1)，則剪切應力t與剪切速率dvdr(亦稱應變速率，

3、流變速率或速度梯度，其單位為秒-1。dvdr也可表為 )之間即呈下列直線性的關系： 它是物料的一種基 本特性，依賴于物料的分子結構和溫度，而不依賴于剪切應力和剪切速率。以。對dvdr所作的圖稱流動曲線圖。凡液體層流時符合式(22)所示關系的通稱牛頓液體，其流動曲線都是直線圖(見圖22)。 在客觀事物中，真正屬于牛頓液體的只是低分子化合物的液體或溶液。聚合物熔體，除聚碳酸酯和偏二氯乙烯一氯乙烯共聚物等少數幾種與牛頓液體相近外，絕大多數都只能在剪切應力很小或很大時表現為牛頓液體。在成型過程中，通常對它們所施的剪切應力卻遠遠不是很小或很大，所以它們表現的流動行為與牛頓液體不合。聚合物分散體在成型過程

4、中的流動行為同樣也不是牛頓流動。 凡液體受力流動不服從式(22)規律的，均稱為非牛頓液體。但是習慣上仍保持用“粘度”(嚴格地說應該是非牛頓粘度或表觀粘度，通以 表示)一詞借以表征該類液體的特征。這里所謂的“粘度”同樣是測定該類液體流動時所施加的剪切應力和當時所發生的剪切速率的比值，與牛頓粘度一樣，都是剪切粘度。不過非牛頓粘度與牛頓粘度不同，它在定溫下是隨所加剪切應力的情況而變的。由實踐證明，變的情況是多種多樣的，如果不考慮聚合物熔體的彈性(這將在以后討論)，則可將其歸為兩個系統。 1 粘性系統 這一系統在受力流動時的特性是其剪切速率只依賴于所施剪應力的大小，但按其所表現的剪切應力一剪切速率的關

5、系，又可分為賓哈液體、假塑性液體和膨脹性液體三種。 (1)賓哈液體 這種液體與牛頓液體相同的是它在剪切應力剪切速率關系上也表現為直線，不同的是它的流動只有當剪切應力高至一定程度后才開始(圖23)。需要使液體產生流動的最小應力 稱為屈服應力。這種液體的流動方程可表為：式中 稱為剛度系數，等于流動曲線的斜率。賓哈液體所以有這種行為，原因是液體在靜止時內部存有凝膠性結構。這種結構當外加應力超過 時即完全崩潰。在實際中，幾乎所有聚合物在其良性溶劑中的濃溶液和凝膠性糊塑料的流動行為，都與這種液體很接近。 (2)假塑性液體 這種液體是非牛頓液體中最為普通的一種，它所表現的流動曲線是非直線的(圖23)，但并

6、不存在屈服應力。液體的表觀粘度是隨剪應力的增加而下降的。大多數聚合物的熔體，也就是塑料成型中處理最多的一類物料，以及所有聚合物在其良性溶劑中的溶液，其流動行為都傾向于這類假塑性液體。圖24是在對數坐標上所繪的聚合物熔體流動曲線典型圖。A與B是分別在溫度T1和T2下所繪的曲線，T1T2。A，B兩根曲線均接近于直線(圖24中的破折線，是加畫的直線，借以與A和B作比較)。從圖可以看出：如果將剪切應力或剪切速率的范圍縮小，則A和B將更為逼近直線。近似直線在剪應力軸上所跨越的范圍約為一個數量級，而在剪切速率軸上則約為一個半到兩個數量級。因此可以得知：在任何給定范圍內，剪應力和剪切速率的關系可用指數定律來

7、描述，即：式中K與n均為常數(n1)。k常稱為流動度或流動常數(注意，k與K的意義是對立的)，顧名思義，k值越小時表明液體越粘稠，也就是越不容易流動。k和式、(24)。中的K的關系為： (1k)n=K (26)m所指的意義和n一樣，但須指出：m并不等于n，而是等于ln。 k和K都是溫度的函數。從式(26)可以看出：如果因為溫度的變化而引起K或 k的變化，則k的變動幅度恒大于K。所以文獻上常用k而少用K。 按前述表觀粘度的定義知： 表觀粘度= = (27)結合式(24)，當知服從指數定律的液體，其 應為： (28)結合式(25)時則為： (29) 幾種熱塑性塑料的表觀粘度與剪切應力的關系見圖25

8、。 （3）膨脹性液體 這種濃體的流動曲線也是非直線的（圖23)。而且也不存在屈服應力但與假塑性液體不同的是它的表觀帖度會隨剪應力的增加而上升膨脹性液體的流動行為也可以用式24）或式（25）來描述，只是式（24）中的常數n大于1；式（25）中的常數m則小于1屬于這一類型的液體大多敷是固體含量高的懸俘液處于較高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑料的流動行為就很接近這種液體，膨脹性液體所以有這樣流動行力多數的解釋是；當懸浮液處于靜態時。體系中由固體粒子構成的空隙最小，其中液體成分只能免強充滿這些空隙當加于這一體系的剪切應力不大時。也就是剪切速率較小時，液體就可以在移動的固體粒子間充當潤滑劑，因此表觀粘度不很高

9、、但當剪切速率逐漸增高時，固體粒子的緊密堆砌就被摧毀，整個體系就顯得有些膨脹此時液體不再能充滿所有空隙，潤滑作用因而受到限制，表觀鉆度就隨著剪切速率的增長而增大。 2有時間依賴性的系統 屬于這一系統的液體。其剪切速率不僅與所施剪切應力的大小有關，而且還依賴于應力施加的時間長短。當所施的剪切應力不變時這種液體在恒溫下的表觀粘度會隨著所施應力的持續時間而逐漸上升或下降。上升或下降到一定值后即行停止這意味著系統已達平衡這種變化是可逆的。因為液體中的粒子或分子并設有發生永久性的變化。表觀粘度隨剪切應力持續時間下降的液體稱為搖溶性，（或觸變性）液體。與此相反的則稱為震凝性液體其中以前一種較為重要。屬于搖

10、溶性液體的有些聚合物的溶液。如涂料與油墨等；屬千震凝性液體的有某些漿狀物，如石膏的水溶液等關于這些液體流動行力的物理機理，可能與假塑性和膨脹性液體極為相似，所不同的只在流動開始后需要一段時間以后達到平衡。由于對這類液體流動的研究還不很夠，一時尚不能得出任何定量性的結論。 幾種主要成型操作中，塑料所受剪切速率的范圍見表21。對給定的塑料來說如果通過實驗求得了在這種范圍下的粘度數據（即流動曲線圖），則對該種塑料在指定成型方法中的操作難易程度就能作出初步判斷。譬如在注射模塑時，如果某一塑料（或聚合物）熔體的溫度不大于其降解溫度而于剪切速率為103秒-1的情況下測得其表觀粘度為5005000泊。則在注

11、射中將不會發生困難表觀粘度過大時，則塑模的大小與設計就受較大的限制，同時所壓制品很易出現缺陷；過小時溢模的現象比較嚴重，制品質量也有問題 通常所見的熔融塑料的粘度范圍為102104泊；分散體的粘的范圍約為10泊左右。 由此可見，剪切流動是與拉伸流動有區別的，前者是液體中一個平面在另一個平面上的滑動，而后者則是一個平面兩個質點間的距離拉長此外拉伸粘度還隨所施拉伸應力是單向、雙向等而異這是剪切粘度所沒有的。 當所施加拉伸應力不大時，聚合物熔體的拉伸粘度并不隨應力的大小而變化如果拉伸應力是單向的，拉伸粘度的值約為剪切粘度的三倍；如果是雙向而又是相等的則為六倍拉伸應力增大時，幾種熱塑性塑料的拉伸應力拉

12、伸粘度的實測數據見圖27。從圖可以看出，有些塑料的拉伸粘度甚至在拉伸應力高至106牛頓/米2時并無任何變化，但有些卻隨拉伸應力的增大而出現上升或下降，其原因還不清楚不過對成型中物料所受拉伸應力的分析以及由實驗提供的拉伸粘度數據，在成型工藝和設備設計上都富有指導意義，并正在進一步研究它們與塑料成型之間的關系。就以圖27所示物料的曲線類型來說，凡在吹塑薄膜或擠壓中空容器型坯時，如果用的是拉伸粘度隨拉伸應力增大而上升的物料，則很少會使制品或半制品出現應力集中或局部強度變弱的現象。反之，采用拉伸粘度隨拉伸應力增大而下降的物料，這種現象就易于發生，甚至破裂。223 溫度和壓力對粘度的影響 對液體粘度起作

13、用的因素有溫度、壓力、施加的應力和應變速率等。后兩者對粘度的關系已覓前述這里僅討論前兩者對粘度的影響 1溫度對剪切粘度的影響 溫度與液體剪切粘度(包括表觀粘度，下同)的關系可用下式表示： 如果將(2一l 2)應用于剪切粘度對剪應力(或剪切速率)有敏感性的液體時，則該式只有當剪應力(或剪切速率)保持恒定時才是準確的。2 壓力對剪切粘度的關系 由于液體的剪切粘度(包括表觀粘度，下同)依賴于分子間的作用力，而作用力又與分子間的距離有關，因此當液體受有壓力而達到減小分子間的距離時，液體的剪切粘度總是趨于增大。低分子物的液體，其壓縮性都很有限，但是屬于高分子的聚合物熔體卻不然。另外，聚合物熔體的加工壓力

14、通常都比較高，例如在注射模塑中，聚合物常須在l 50下受壓達3503000公斤厘米2。，因此它們的壓縮性是可觀的。表2-3舉出一些數據以供比較。224 彈性 聚合物熔體不僅具有非牛頓性，而且還具有如面體般的彈性。也就是說當熔體受有應力時，一部分能量消耗于粘性變形(亦稱流動，已見前述，這部分變形在應力解除后不能恢復)；而另一部分變形的能量則將會被熔體儲存，一旦外界應力移去，就將得到恢復。一個明顯的實例就是塑料在擠壓時的出模膨脹(見圖28)，這種現象對低分子液體來說是沒有的。1 剪切彈性 物料所受剪切應力，對其發生的剪切彈性變形下R(亦稱可以恢復的剪切變形)的比通稱為剪切彈性模量G。 G R (2

15、12) 絕大多致聚合物熔體的剪切模量在定溫下都是隨著應力的增大而上升的。 幾種熱塑性塑料的剪切彈性模量和剪切應力的關系見圖29。2 拉伸彈性 物料所受拉伸應力，對其發生的拉伸彈性變形R的比通稱為拉伸 彈性模量E。 E= R (2一14) 聚合物熔體的E，在單向拉伸應力不大于1兆牛頓米。時等于剪切彈性模量的三倍，拉 伸彈性變形的最高限值約為2。 成型過程中，決定熔體由拉伸應力引起的變形是粘性還是彈性占優勢的概念依然是 松弛時間，例如：掛在口模上的乙丙共聚物吹塑型坯，其溫度為230。吹脹前經歷的時 間為5秒，垂伸的彈性變形速率約為OO 3秒-1。在這種情況下熔體的拉伸粘度約為36千牛 頓秒米2。(

16、見圖27)；拉伸彈性模量約為46千牛頓米2，由此所得的松弛時間為8秒。 因此型坯下垂的性質當以彈性為主。 區別熔體中彈性屬性(剪切性的還是拉伸性的)的概念仍然是松弛時間。具體的方 法是根據熔體在成型中所經歷的過程分別求出剪切和拉伸的松弛時間，在彈性變形中占 優勢的將是松弛時間數值較大的一種。根據大量實驗結果證明：如果兩種應力都不超過 1千牛頓米2。，則兩種松弛時間近于相等；應力較大時，拉伸松弛時間總是大于剪切松弛時間，大出的程度每與聚合物的性質有關。 225在簡單截面導管內的流動 成型過程中，經常需要使塑料通過導管(包括模具中的通道)，以便對它加熱、冷卻、加壓和(或)成型。通過時的狀態可以是液

17、體或固體，但以前者居多。 弄清液狀塑料在導管內流動時的流率與壓力降的關系，以及沿著導管截面上的流速分布等是很需要的，因為這些對設計模具和設備、了解已有設備的工作性能以及制定工藝規程都有很大的幫助，甚至就是一種根據。 不過就目前情況來說，有關這方面的知識，還不是對任何截面的導管內的流動都可以從理論進行計算，能夠計算的等截面導管尚只限以下四種：(1)圓形和狹縫形(即長方形，但其寬與高的比值須等于或大于10)截面的導管；(2)與前列兩種有聯系的截面的導管(如環隙形導管)；(3)截面的形狀是圓形與狹縫形的復合形狀；(4)矩形、橢圓形和等邊三角形截面的導管。上列四種中的前三種，不管是對牛頓或非牛頓液體都

18、能從理論分析求得其計算公式，而第(4)種還只限于牛頓液體。226流動的缺陷 液狀塑料在導管內流動時，常因種種原因而使流動出現不正常的現象或缺陷。這種缺陷，如果發生在成型過程中，則常會使制品的外觀質量受到損傷，例如表面出現悶光、麻面、波紋以至裂紋等，有時制品的強度或其他性能也會發生劣變。當然，這些現象都是在工藝條件、制品設計、設備設計或選料等方面不能符合客觀要求所造成的。下面將簡單地論列其中較為重要的原因。 1 管壁上的滑移 推證像式(2一18)等一類方程式的一個前提是：貼近管壁一層的液體是不流動的(如水和甘油等低分子物在管內流動時，就是這種情況)。但經許多研究證明，塑料熔體在高剪切應力下的流動

19、并不如此，也就是說貼近管壁的一層液體會發生間斷的流動，或稱滑移。這樣，管內的整個流動就成為不穩定的(即在熔體流程特定點上的質點加速度不等于零，或V t0)。顯然，這種滑移不僅會影響流率的穩定和按式(218)和(227)等所作的計算結果(比實際的結果小5左右)，同時還說明擠壓過程中何以有時會發生擠出物出模膨脹不均以及幾何形狀相同或相似的儀器所測定的同一種樣品的流變數據不盡符合等現象。經實踐證明，滑移的程度不僅與聚合物的品種有關，而且還與采用的潤滑劑和管壁的性質有關系。 2 端末效應 已如前說，不管是用于哪種截面導管的流動方程式都只能用于穩態流動，但這種流動是不存在于液體由大管或貯槽流入小管后最初

20、一段區域內的(見圖2一14所示進口區)。這段管長Le，對聚合物熔體來說，根據實驗確定大約等于003005(Re)(D)，Re代表雷諾準數；D代表管徑。在這一段管長內的壓力降總是比用式(2一18)算出的大，其原因在于。熔體由大管逼近小管時，它必須變形以適應它在新的且有適當壓縮性的流道內流動，但是聚合物熔體具有彈性，也就是對變形具有抵抗力，因此就須消耗適當的能量，即消耗相當的壓力降，來完成在這段管內的變形。其次，熔體各點的速度在大小管內是不同的，為調整速度，也要消耗一定的壓力降。經實驗證明，在一般情況下，如果將式(2一18)中L改為(L+3D)來計算壓力降，則由上列兩種原因所引起的壓力降就可被包括

21、在內。 從圖2一14可以看出，塑料熔體由導管流出，料流直徑有先收縮和后膨脹的現象。 如果是牛頓液體則只有收縮而無膨脹。收縮的原因是：熔體在管內流動時，料流徑向上各點的速度是不等的(參見式(2一17)，而當流出導管后即須自行調整為相等的速度。這樣，料流的直徑就會發生收縮。從理論上推證，收縮的程度(以De/D表示，De是料流出口處的直徑；D為導管直徑)可用下式表示:式中m是常數，其意義見式(25)。對牛頓液體來說，m=l，所以De/D =087，表明收縮率為1 3。如果是假塑性液體，則收縮率恒小于此值。由于后面緊接著有膨脹，因此收縮現象常不易發覺。 塑料熔體繼收縮之后的膨脹，已如前說，是由于彈性恢

22、復造成的。如果是單純的彈性恢復而且熔體組分均勻，溫度恒定和符合流動規律的條件，則這種膨脹是可以通過復雜計算而求得的。不過實際中符合這種情況是極少的。這種膨脹，若就圓形導管流出的聚合物熔體來說，其程度約在30100(指(Ds-D)/D)之間。 3 彈性對層流的干擾 塑料熔體在成型過程中的雷諾準數通常均小于10，按常理說，它在成型過程中的流動都應該是層流而不是湍流。但事實卻不盡然如此，因為它具有彈性。熔體在管內流動時，其可逆彈性是在逐漸恢復的。如果恢復的彈性過大或過快，則流動單元的活動將不會限制在一個層面上，勢必引起湍流，通稱為彈性湍流，彈性湍流的發生也有一定規律，經實驗證明，對塑料熔體的剪切流動來說，只有當 R (見式(2-l 3)的值超過455時才有可能。 4 “鯊魚皮癥” “鯊魚皮癥”是發生在擠出物(熔體流柱)表面上的一種缺陷。這種缺陷可自擠出物表面發生悶光起，變至表面呈有與流動方向垂直的許多具有規則和相當間距的