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聚合物熔体的流变性质

塑料的成型往往是通过塑料的成型往往是通过流动流动和和变形变形的途径实现的，这样就产生了塑料

流变

学这样一门学科来研究塑料在液态、半固态和固态时的流变行为。塑料通

过过流动流动这

一途径是极为普遍的成型方式，近年来通过一途径是极为普遍的成型方式，近年来通过变形变形途径又出现了另一种新

的成型方

式，这种成型方式称为固相成型或冷成型。这样塑料流变学就成了塑料成

型的基础理论

之一。那么什么是塑料流变学呢?

塑料流学变是研究塑料的流动和变形与造成塑料流变的各种因素之间的关

系的一门

科学。主要内容包括研究塑料在外力作用下产生弹性、塑性以及粘性流变

行为以及这些

行为与各种因素(聚合物结构与性能、温度、作用力的大小和作用时间、方

式以及塑料

体系的组成等)之间的关系。由于塑料熔体的流动和变形是成型过程中最基

本的工艺特

征，所以塑料流变学的研究，对成型具有非常重要的现实意义和指导意义。

虽然有关的

一些理论还不十分完善，但流变学的概念已经成为塑料成型基础理论的重

要组成部分，

它对原料的选择和使用，成型最佳工艺条件的确定，成型设备及模具的设

计以及提高产

品质量等，都有极重要的指导作用。

现将塑料流变学的一些基本概念，简介如下。

一、聚合物熔体的流变行为

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。

塑料成型时

剪切应力对聚合物熔体或分散体在设备和模具中流动的压力差，所需要的

功率以及制品

的质量等有决定性影响。拉伸应力经常是与剪切应力共同出现的，例如在

吹塑成型中，

型坯的拉长，吹塑薄膜时泡管的膨胀以及塑料熔体在锥形流道内的流动和

单丝的生产等

等。压缩应力不太重要，一般都忽略不计，但这种应力对聚合物的其它性

能却有一定的

影响，例如熔体的粘度，所以在某些情况下应给予考虑。

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

y表

示。单位时间内的应变称为应变速率(或速度梯度)，可以表示为(单位为秒

-1):

γ·=

dγ

dt

(1-2)

应变方式和应变速率与外力的性质和作用位置有关。

聚合物流体可以是处于粘流温度Tf或熔点Tm以上的熔融体，也可以是在

常温下仍

保持为流动液体的聚合物溶液或塑料糊(分散体)。这些流体形式在塑料成

型过程中广

泛应用。但聚合物熔体在塑料成型中占有重要地位。因此，聚合物熔体的

流变行为是本

章讨论的重点。

成型过程中聚合物熔体的流变性质主要表现为粘度的变化，因此聚合物熔

体的粘度

及其变化是塑料成型过程中最重要的参数。根据聚合物熔体在流动过程中

粘度与应力或

应变速率之间的关系，可以将聚合物的流动行为分为两大类:①牛顿流体，

其流动行为

称为牛顿型流动;②非牛顿流体，其流动行为称为非牛顿型流动。

(一)牛顿流体及其流变行为

液体在圆管中流动时产生的流动形式有层流和湍流两种。层流时，液体的

主体流动

是按许多彼此平行的流层进行的，同一层之间的各点速度彼此相同，但各

层之间的速度

不一定相等，各层之间也不发生骚扰。如果流动速度增大到超过某一临界

值时，则流动

成为湍流。湍流时，液体某一点流动速度的大小和方向都随时间而变化，

此时液体内会

发生骚扰。层流和湍流常以雷诺准数(R8)值来区分，Re值小于2100时为

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2，

000到4，000或更多。聚合物熔体在成型过程中的流动基本属于层流流动，

其Re值常

小于10。

牛顿(NeWton)在研究低分子液体的流动行为(如图1-11所示)时，发现剪切

应

力和剪切速率之间存在如下关系:

τ=ηγ(1-3)

式中τ液层单位表面上所