塑料加工流变学

1、流变学的概念及应用1.1.流变学概念流变学概念 流变学流变学是是研究物质研究物质流动流动及及变形变形规律规律的科学的科学。也就。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。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，而使所谓变形，是指施加适当的力系于物体上，而使其其形状形状或或大小大小发生变化。当变形的程度随时间而连续发生变化。当变形的程度随时间而连续变化时，就称为流动。变化时，就称为流动。内应力：单位面积上存在的与外力相对抗内应力：单位面积上存在的与外力相对抗 的内力的内力应应 力：引起变形的作用力力

2、：引起变形的作用力F F除以作用面积除以作用面积A A弹弹 性：除去外部应力时恢复原状的性质性：除去外部应力时恢复原状的性质黏黏 性：是液体内部所存在的阻碍液体流性：是液体内部所存在的阻碍液体流 动的摩擦力，也称内摩擦力动的摩擦力，也称内摩擦力粘粘弹弹性性物物质质 弹性变形（弹性变形（elastic deformationelastic deformation）变形变形 塑性变形（塑性变形（plastic deformationplastic deformation）流变学（Rheology）：研究物质流动及形变的科学流体（流动行为）Newton定律粘弹性流体（流动行为）Maxwell定律粘弹

3、性固体（变形行为）Kelvin/Voigt定律流动/粘度曲线蠕变实验，弛豫实验，振荡实验稳态流变学动态流变学弹性（elastic）粘性（viscous）粘弹性（viscoelastic）u 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。u 高分子材料加工流变学（宏观流变学或唯象流变学）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

4、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。高分子材料流变学的研究内容7 液体受应力作用变形，即液体受应力作用变形，即流动流动，是不可逆过程。是不可逆过程。 D为为剪切速度剪切速度(rate of shear), 各液各液层的速度不同而产生的速度梯度层的速度不同而产生的速度梯度D=dv/dy剪切应力剪切应力（S）：使液层产生相对）：使液层产生相对运动需施加外力，在单位面积上运动需施加外力，在单位面积上所需施加的这种力称剪切应力。所需

5、施加的这种力称剪切应力。2. 剪切速度与剪切应力 一切流体的流变性都可以用切变速度一切流体的流变性都可以用切变速度D D与与剪切力剪切力S S之间的关系曲线来描述，这种关系曲之间的关系曲线来描述，这种关系曲线称为线称为流变曲线（粘度曲线）流变曲线（粘度曲线）。不同流变性。不同流变性的流体具有不同的流变曲线，根据流变曲线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：的不同，流体可以分为以下几种： 一、牛顿流体一、牛顿流体 二、非牛顿流体二、非牛顿流体牛顿流体的特点牛顿流体的特点： 一般为低分子的纯液体或稀溶液一般为低分子的纯液体或稀溶液在在一定温度一定温度下，牛顿液体的粘度

6、下，牛顿液体的粘度 为常数，为常数，它只是温度的函数，随温度升高而减小它只是温度的函数，随温度升高而减小牛顿黏度定律：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：流动方程：D=S/ 特点：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；它的切变速度与剪切应力之间是通过原点的直线关系； 2.斜率为斜率为1/，所以温度一定时，其黏度，所以温度一定时，其黏度是一个常数，是一个常数， 与与D 无关，即黏度只是温度的函数无关，即黏度只是温度的函数(反比反比)2.1 2.1 牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体(nonNewtonian f

7、luid):不符合牛顿流动定律的不符合牛顿流动定律的乳剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏乳剂、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按非牛顿流体流动的曲线类型可分为塑性流动、假塑性塑性流动、假塑性流动、胀性流动、触变流动流动、胀性流动、触变流动2.2 2.2 非牛顿流体非牛顿流体 A-牛顿流体；牛顿流体； B-塑性流体；塑性流体； C-假塑性流体；假塑性流体；D-胀性流体；胀性流体； E-触变性流体触变性流体.影响聚合物加工的主要流变性能影响聚合物加工的主要流变性能 n主要有聚合物的主要有聚合物的流动性流动性、弹性弹性

8、和和断裂特性断裂特性。n流动性流动性：以黏度的倒数表示流动性。：以黏度的倒数表示流动性。按作用方式的不按作用方式的不同，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。切黏度和拉伸黏度。n弹性弹性：由于聚合物流体流动时，伴随有高弹形变的产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。生和贮存，故外力除去后会发生回缩等现象。n断裂特性断裂特性：是影响聚合物（尤其是橡胶）加工的又一：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，以及弹性流变特性，它主要是指生胶的扯断伸长率，以及弹

9、性与塑性之比。与塑性之比。影响流动性a的主要因素温度温度：温度升高，粘度下降剪切应力和剪切速率剪切应力和剪切速率： 和 升高，粘度下降压力压力：压力升高，粘度增加添加剂添加剂：炭黑： 增粘效应。减弱非牛顿流动体系流动性，提高n值。碳酸钙：增容作用，降低成本。增大了粘度，加工性能下降。增塑剂：降低熔体粘度，降低熔点，改善流动性。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：分子量相同时，分子量分布窄粘度变化小分子链支化分子链支化：短支链使粘度下降，长支链使粘度上升3. 流变性的测定流变性的测定 对于塑料流体来说，最重要的流变学特性就是黏对于塑料流体来说，最重要的流变学特性就是黏度。动

10、力学黏度计算公式为：度。动力学黏度计算公式为：DSDn)(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毛细管流变仪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”。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。 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。 旋转及振荡流变仪（rotational and oscillatory rhe

11、ometers）圆筒状转子（Cylinder）not recommendedfor pastes (air bubbles)锥板转子（Cone-Plate）with dispersionsonly useful forparticlesunder 5m平行板（Parallel-plates）useful for gels and pastes流变仪Shear stressPamNAF2 Shear rate剪切应力单位面积所受的作用力剪切速率Strain应变单位长度的伸长 1ss1smmhv- - g g dg gdt单位时间的应变，也称为“剪切梯度”、“速度梯度”、“应变率”、“变形率”）h

12、vg gconstantmm流变仪旋转流变仪原理LrPr234rQrgQPLrrr83gPoiseuille-Hagen定律P2R流变仪 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。 毛细管流变仪原理毛细管流变仪阶段性稳态剪切速率测量的参数:变形（应变）速率/频率温度时间获得的参数模量粘度弹性阻尼性能流变仪g *(t)Timeg (t)分割为弹性与完全变形行为 固体(完全弹性)行为流体(完全变形)行为粘弹体行为Timeg (t) *(t)Timeg (t

13、) “( t) (t) *(t)Timeg (t)d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） 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。流变学与模具设计的关系：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

14、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，使塑料的成型工艺性能处于良好状态。流变学在模具设计中的应用：流变学在模具设计中的应用：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，设置均匀冷却。（3）调整成型工艺调整成型工艺：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