ProE模流分析教程 第四章 塑料如何流动

发布日期:[10-12-17 18:16:35] 浏览人次:[]

第四章 塑料如何流动

熔融的热塑性塑料呈现黏弹性行为(viscoelastic behavior),亦即黏性流体与弹性固体的流动特性组合。当黏性流体流动时,部分驱动能量将会转变成黏滞热而消失;然而,弹性固体变形时,会将推动变形的能量储存起来。日常生活中,水的流动就是典型的黏性流体,橡胶的变形属于弹性体。

除了这两种的材料流动行为,还有剪切和拉伸两种流动变形,如图4-1 (a)与(b)。在射出成形的充填阶段,热塑性塑料之熔胶的流动以剪切流动为主,如图4-1(c)所示,材料的每一层元素之间具有相对滑动。另外,当熔胶流经一个尺寸突然变化的区域,如图4-1(d),拉伸流动就变得重要多了。

图4-1  (a)剪切流动;(b)拉伸流动;(c)模穴内的剪切流动

(d)充填模穴内的拉伸流动

热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理想弹性固体之特性,呈现黏弹性行为。在特定的条件下,熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变形;然而,一旦应力解除,熔胶会像弹性固体一样恢复原形,如图4-2 (b)与 (c)所示。此黏弹性行为是因为聚合物在熔融状态,分子量呈现杂乱卷曲型态,当受到外力作用时,将允许分子链移动或滑动。然而,相互纠缠的聚合物分子链使系统于施加外力或解除外力时表现出弹性固体般的行为。譬如说,在解除应力后,分子链会承受一恢复应力,使分子链回到杂乱卷曲的平衡状态。因为聚合物系统内仍有分子链的交缠,此恢复应力可能不是立即发生作用。

图4-2   (a)理想的黏性液体在应力作用下表现出连续的变形;

(b)理想的弹性固体承受外力会立刻变形,于外力解除后完全恢复原形;

(c)热塑性塑料之熔胶就像液体一样,在剪切应力作用下而连续变形。然而,一旦应力解除,它就像弹性固体一般,部分变形会恢复原形。

4-1  熔胶剪切黏度

熔胶剪切黏度(shear viscosity)是塑料抵抗剪切流动的阻力,它是剪切应力与剪变率的比值,参阅图4-3。。聚合物熔胶因长分子链接构而具有高黏度,通常的黏度范围介于2~3000 Pa(水为 10-1  Pa,玻璃为1020  Pa)。

图4-3  以简易之剪切流动说明聚合物熔胶黏度的定义

水是典型的牛顿流体,牛顿流体的黏度与温度有关系,而与剪变率无关。但是,大多数聚合物熔胶属于非牛顿流体,其黏度不仅与温度有关,也与剪切应变率有关。

  聚合物变形时,部份分子不再纠缠,分子链之间可以相互滑动,而且沿著作用力方向配向,结果,使得聚合物的流动阻力随着变形而降低,此称为剪变致稀行为(shearing-thinning behavior),它表示聚合物承受高剪变率时黏度会降低,也提供了聚合物熔胶加工便利性。例如,以两倍压力推动开放管线内的水,水的流动速率也倍增。但是,以两倍压力推动开放管线内的聚合物熔胶,其流动速率可能根据使用材料而增加2~15倍。

  介绍了剪切黏度的观念,再来看看射出成形时模穴内的剪变率分布。一般而言,材料的连接层之间的相对移动愈快,剪变率也愈高,所以,典型的熔胶流动速度曲线如图4-4(a),其在熔胶与模具的界面处具有最高的剪变率;或者,假如有聚合物凝固层,在固体与液体界面处具有最高的剪变率。另一方面,在塑件中心层因为对称性流动,使得材料之间的相对移动趋近于零,剪变率也接近零,如图4-4(b)所示。剪变率是一项重要的流动参数,因为它会影响熔胶黏度和剪切热(黏滞热)的大小。射出成形制程的典型熔胶剪变范围在102 ~105  1/s之间。

图4-4  (a)相对流动元素间运动之典型速度分布曲线;

        ( b)射出成形之充填阶段的剪变率分布图。

聚合物分子链的运动能力随着温度升高而提高,如图4-5所示,随着剪变率升高与温度升高,熔胶黏度会降低,而分子链运动能力的提

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