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粘度:塑料加工中必須要掌握的參數(shù)

時(shí)間:2019-11-17 10:00 閱讀:1856 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

 

一、塑料熔體的剪切變稀

 

 

 

流體的粘度不隨剪切速率變化而變化,這種流體稱(chēng)之為牛頓流體,如水、氣體、低分子化合物液體或溶液為典型的牛頓流體。

如果流體的粘度依賴(lài)于對(duì)其的剪切速率,這樣的流體為非牛頓流體,大部分塑料熔體表現(xiàn)為非牛頓流體的特性。

非牛頓流體也有多種,塑料在熔融狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)的特性在坐標(biāo)中,呈現(xiàn)的是一條切應(yīng)力先迅速上升而后緩慢上升的曲線,并且不存在屈服應(yīng)力,這就是塑料熔體剪切變稀的流動(dòng)特性。即剪切速率的增加要比切應(yīng)力的增加來(lái)得快。

 

image (2).jpg
圖1 剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系

 

與之相對(duì)應(yīng)的是剪切變厚的現(xiàn)象。但是常見(jiàn)的塑料熔體都呈現(xiàn)的是剪切變稀,也就是隨著剪切速率的增加,熔體的粘度要降低,粘度降低有助于塑料熔體在模具型腔中的流動(dòng)和填充。

注塑過(guò)程中塑料要通過(guò)料筒加熱,然后經(jīng)過(guò)注塑機(jī)的噴嘴,進(jìn)入模具的主流道,流道以及模具的澆口,最后進(jìn)入型腔。熔體經(jīng)過(guò)各個(gè)部分的剪切速率和粘度關(guān)系如圖2所示,該圖表明,塑料熔體在料筒中粘度較高,流動(dòng)速度也小,到達(dá)澆口后,由于澆口的收縮作用,使得熔體流動(dòng)速度增加,增大了剪切速率,降低了熔體的粘度,有利于熔體的充模。寬MWD樹(shù)脂比窄分布樹(shù)脂剪切變稀程度大。

 

image (9).jpg
圖2 剪切速率于粘度的關(guān)系

 

二、影響粘度的幾個(gè)因素

 

粘度是塑料加工性最重要的基本概念之一,是對(duì)流動(dòng)性的定量表示,影響粘度的因素有熔體溫度、壓力、剪切速率以及相對(duì)分子質(zhì)量等,下面分別敘述。


image (10).jpg
圖2:塑料融化吊燈

 

1
溫度的影響

 

由前面的分析已經(jīng)知道,塑料的粘度是剪切速率的函數(shù),但是,塑料的粘度同時(shí)也受到溫度的影響。所以,只有剪切速率恒定時(shí),研究溫度對(duì)粘度的影響才有實(shí)際意義。一般說(shuō),塑料熔體粘度的敏感性要比對(duì)剪切作用敏感強(qiáng)。研究表明,隨著溫度的升高,塑料熔體的粘度呈指數(shù)函數(shù)方式下降。這是因?yàn)椋瑴囟壬撸厝皇沟梅肿娱g,分子鏈間的運(yùn)動(dòng)加快,從而使得塑料分子鏈之間的纏繞降低,分子之間的距離增大,從而導(dǎo)致粘度降低。易于成型,但制品收縮率大,還會(huì)引起分解,溫度太低,熔體粘度大,流動(dòng)困難,成型性差,并且彈性大,也會(huì)使制品的形狀穩(wěn)定性差。

但是不同的塑料粘度對(duì)于溫度的敏感程度不同。聚甲醛對(duì)溫度的變化最不敏感,其次是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯,最敏感的要數(shù)乙酸纖維素,表1中列出了一些常用塑料對(duì)于溫度的敏感程度。非常敏感的塑料,溫控十分重要,否則粘度較大變化,使操作不穩(wěn)定,影響產(chǎn)品質(zhì)量。


表1 一些塑料粘度受溫度的影響程度

 

塑料

CA

PS

PP

PE

POM

對(duì)溫度敏感度

最高

較高

一般

 

 


在實(shí)用中,對(duì)于溫度敏感性好的熔體,可以考慮在成型過(guò)程中提高塑料的成型溫度來(lái)改善塑料的流動(dòng)性能,如PMMA、PC、CA、PA。但是對(duì)于敏感性差的塑料,提高溫度對(duì)于改善流動(dòng)性能并不明顯,所以一般不采用提高溫度的辦法來(lái)改進(jìn)其流動(dòng)特性。如POM和PE、PP等非極性塑料,即使溫度升幅度很大,粘度卻降低很小。

 

還有,提高溫度必須受到一定條件的限制,就是成型溫度必須在塑料允許的成型溫度范圍之內(nèi),否則,塑料就會(huì)發(fā)生降解。成型設(shè)備損耗大,工作條件惡化,得不償失。利用活化能的大小來(lái)表達(dá)物料的粘度和溫度的關(guān)系,有定量意義。表2 為一些塑料在低剪切速率下的活化能。


 

 

表2:一些塑料的活化能(kJ/mol)

 

塑料

HDPE

PP

LDPE

PS

ABS

PC

活化能

26.5~29.4

37.8~40

49.1

105

88.2~109.2

109.2~126

 

2
壓力的影響

 

塑料熔體內(nèi)部的分子之間、分子鏈之間具有微小的空間,即所謂的自由體積。因此塑料是可以壓縮的。注射過(guò)程中,塑料受到的外部壓力最大可以達(dá)到幾十甚至幾百M(fèi)Pa 。在此壓力作用下,大分子之間的距離減小,鏈段活動(dòng)范圍減小,分子間距離縮小,分子間的作用力增加,致使鏈間的錯(cuò)動(dòng)則更為困難,表現(xiàn)為整體粘度增大。

但是不同塑料在同樣的壓力下,粘度的增大程度并不相同。聚苯乙烯(PS)對(duì)于壓力的敏感程度最高,即增加壓力時(shí),粘度增加得很快。高密度聚乙烯與低密度聚乙烯相比,壓力對(duì)粘度的影響較小,聚丙烯受壓力的影響相當(dāng)于中等程度的聚乙烯。

增加壓力引起粘度增加這一事實(shí)表明,單純通過(guò)增加壓力去提高塑料熔體的流量是不恰當(dāng)?shù)摹_^(guò)高的壓力不僅不能明顯地改善流體的填充,而且由于粘度的增加,填充性能有時(shí)還會(huì)有下降的可能,不僅造成過(guò)多的功率損耗和過(guò)大的設(shè)備磨損,還會(huì)引起溢料和增加制品內(nèi)應(yīng)力等弊病。此外,壓力過(guò)高,還會(huì)出現(xiàn)制品變形等注塑缺陷,導(dǎo)致功率的過(guò)度消耗。但壓力過(guò)低則會(huì)造成缺料。

結(jié)合溫度對(duì)于粘度的影響可以發(fā)現(xiàn),在塑料的正常加工參數(shù)范圍內(nèi),增加壓力對(duì)塑料熔體粘度的影響和降低溫度對(duì)于塑料粘度的影響效果相似。例如對(duì)于很多塑料,當(dāng)壓力增加到100 MPa時(shí),其粘度的變化相當(dāng)于降低溫度30~50℃的作用。

幾種塑料對(duì)于壓力的敏感程度如表3所示。


表3:壓力對(duì)塑料熔體粘度的影響

 

序號(hào)

名稱(chēng)

熔體溫度/℃

壓力變化范圍/MPa

粘度增大倍數(shù)

1

PS

196

0~126.6

134

2

PS

180

14~175.9

100

3

PE

149

0~126.6

14

4

HDPE

 

14~175.8

4.1

5

LDPE

 

14~175.8

5.6

6

MDPE

 

14~175.8

6.8

7

PP

 

14~175.8

7.3

  

3
剪切速率的影響

 

隨著剪切速率的加大,塑料的粘度一般降低。但在剪切速率很低和很高的情況下,粘度幾乎不隨剪切速率變化而變化。

在溫度和壓力一定前提下,不同塑料粘度降低程度不相同。或者說(shuō),盡管大多數(shù)塑料熔體的粘度是隨著剪切速率的增加而下降的,但是不同的塑料對(duì)剪切速率(切應(yīng)力)的敏感程度是不一樣的。

幾種常用塑料的粘度對(duì)于剪切速率的敏感性如表4所示。


表4:塑料熔體粘度對(duì)剪切速率的敏感度

 

塑料敏感度排名

對(duì)剪切的敏感度依次降低

1 ABS (最敏感)

2 PC

3 PMMA

4 PVC

5 PA

6 PP

7 PS

8 LDPE(最不敏感)

 

 


這一點(diǎn)對(duì)使用的啟示是:在一定的剪切速率范圍內(nèi),提高剪切速率會(huì)顯著降低塑料的粘度,改善其流動(dòng)性能。盡管如此,寧可選擇在熔體粘度對(duì)剪切速率不太敏感的范圍進(jìn)行工藝調(diào)整,否則因?yàn)榧羟兴俾实牟▌?dòng),會(huì)造成加工不穩(wěn)定和塑料制品質(zhì)量上的缺陷。

 

4
塑料結(jié)構(gòu)的影響

 

對(duì)于塑料,在給定溫度下,隨著相對(duì)平均分子質(zhì)量的增大,塑料的粘度增大。相對(duì)分子質(zhì)量越大,分子間作用力越強(qiáng),于是粘度也高。

塑料的相對(duì)分子質(zhì)量越小,粘度對(duì)于剪切速率的依賴(lài)程度越小;分子量越大,粘度對(duì)于剪切速率的依賴(lài)程度越大。分子量分布寬的樹(shù)脂和雙峯分子量分布樹(shù)脂熔體粘度低和加工性優(yōu)良。因?yàn)榈头肿恿挎湶糠钟欣谔岣邩?shù)脂熔體流動(dòng)性。

(5)低分子量添加劑的影響

低分子可降低大分子鏈間的作用力,起“潤(rùn)滑”作用因而使熔體粘度減少,同時(shí)降低了粘流化溫度。如加入增塑劑和溶劑,使樹(shù)脂易于充模成型。

表5:常用塑料改進(jìn)流動(dòng)性能的方法

 

塑料

改進(jìn)方法

塑料

改進(jìn)方法

PE

提高螺桿速度

PS

選非結(jié)晶型牌號(hào)

PP

提高螺桿速度

ABS

提高溫度

PA

提高溫度

PVC

提高溫度

POM

提高螺桿速度

PMMA

提高溫度

PC

提高溫度

   

 

 


總之,聚合物熔體粘度的大小直接影響注射成型過(guò)程的難易。如控制某塑料成型溫度在其分解溫度以下,剪切速率為103秒-1時(shí),熔體粘度為50~500帕-秒,注射成型較容易。但如果粘度過(guò)大,就要求有較高的注射壓力,制品的大小受到限制,而且制品還容易出現(xiàn)缺陷;如果粘度過(guò)小,溢模現(xiàn)象嚴(yán)重,產(chǎn)品質(zhì)量也不容易保證,在這種情況下要求噴嘴有自鎖裝置。

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