高聚物熔体的流变行为

高聚物熔体的流变行为

塑料在成型过程中由于外力作用产生变形，塑料受外力作用后内部产生与外力相平衡的力称为应力，单位为帕斯卡，简称帕（Pa）。通常产生的应力有三种：剪切应力、拉伸应力和压缩应力。在塑料成型中最重要的是剪切应力，其次是拉伸应力。压缩应力不太重要，一般都忽略不计。剪切流动如图1-14。图1-14剪切流动示意图塑料受力作用后产生的变形及尺寸改变（即几何形状的改变）称为应变，用γ表示，单位时间内的应变称为应变速率（或速度梯度），用ν表示。根据高聚物熔体在流动过程中粘度与应力或应变速率之间的关系，可以将高聚物的流动行为分为牛顿流体和非牛顿流体两大类。（1）牛顿流体及其流变行为流体在圆管中流动时产生的流动形式有层流和湍流两种。层流和湍流常以雷诺准数（Re）值来区分。Re值小于2100为层流，Re值大于2500时液体就从层流逐渐转变为湍流流动，由层流到湍流的过渡区Re值可达2000到4000或更多，高聚物熔体在成型过程中的流动基本属于层流流动，其中Re值常小于10。

牛顿（Newton）在研究低分子液体的流动行为时，发现剪切应力和剪切速率之间存在如下关系：牛顿流体N：剪切应力σs与剪切速率成正比粘度η不随剪切应力和剪切速率的大小而变化，始终保持常数的流体，统称为牛顿流体。低分子液体和高分子的稀溶液就为牛顿流体。以剪切应力对剪切速率作图，可得到一条通过坐标原点的直线，凡服从牛顿流动定律的液体称为牛顿液体。图1-15为几种流体的黏度与剪切速率的关系。图1-15几种流体的黏度与剪切速率的关系

牛顿流体的粘度值为一常数，常用ή表示。ή为液体自身所固有的性质，ή的大小表征液体抵抗外力所引起的流动和变形的能力。不同的液体ή值不同，它与液体分子结构及温度有关。（2）非牛顿流体及其流变行为。实际上，由于大分子的长链结构和缠结，高聚物熔体的流动行为远比低分子液体复杂。高聚物熔体除聚碳酸酯、聚砜等少数几种与牛顿流体相似外，绝大多数高聚物熔体的流变行为都不服从牛顿流动定律。通常把流变行为不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体。非牛顿流体：凡是不符合牛顿流体公式的流体，统称为非牛顿流体，非牛顿流体：凡是不符合牛顿流体公式的流体，统称为非牛顿流体，非牛顿流体式中为剪切速率；称为非牛顿性指数（<1称为假塑性）；为表观黏度，表观黏度比高聚物真正的黏度（零剪切黏度）小。其中有假塑性流体P、胀流型流体d和宾汉（Bingham）流体B。假塑性流体的流动曲线如图1-16

图1-16假塑性流体的流动曲线

n—非牛顿性指数，表征偏离牛顿流体的程度的指数，K—常数

a、n=1，粘度不随剪切速率变化，为牛顿流体N；b、n＜1，粘度随剪切速率增加而减小，假塑性流体P，高聚物熔体和浓溶液属于此类；c、n＞1，粘度随剪切速率增加而增加，胀流型流体d，高聚物-填料体系属于此类；d、宾汉（Bingham）流体B：剪切应力超过屈服应力σy后才能像牛顿流体一样流动；

完整的流动曲线（包括熔体和溶液）见图1-17，该曲线分五个区，分述如下：①第一牛顿区：剪切力太大，高分子链为无规线团，有缠结存在。②假塑性区：线团解缠结，链段沿流动方向取向。③第二牛顿区：分子链完全取向，黏度达恒定值。④胀流区：发生拉伸流动，黏度急剧上升，为胀塑性流体。⑤湍流（熔体破裂）。图1-17高聚物的完整流动曲线