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影響塑料熔體粘度的因素
塑料熔體的剪切變稀塑料熔體為非牛頓流體，一個(gè)與注塑件成型密切相關(guān)的加工性是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)出來的特性在圖4的坐標(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)力的增加來得快，如圖4所示。與之相對(duì)應(yīng)的是剪切變厚的現(xiàn)象。但是常見的塑料熔體都呈現(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注塑件模具型腔中的流動(dòng)和填充。注塑件過程中塑料要通過料筒加熱，然后經(jīng)過注塑件機(jī)的噴嘴，進(jìn)入注塑件模具的主流道，流道以及注塑件模具的澆口，最后進(jìn)入型腔。熔體經(jīng)過各個(gè)部分的剪切速率和粘度關(guān)系如圖5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樹脂比窄分布樹脂剪切變稀程度大。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。（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，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CAPSPPPEPOM對(duì)溫度敏感度最高較高高一般差在實(shí)用中，對(duì)于溫度敏感性好的熔體，可以考慮在成型過程中提高塑料的成型溫度來改善塑料的流動(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HDPEPPLDPEPSABSPC活化能26.5～29.437.8～4049.110588.2～109.2109.2～126（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，單純通過增加壓力去提高塑料熔體的流量是不恰當(dāng)?shù)摹＿^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，不僅造成過多的功率損耗和過大的設(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，壓力過高，還會(huì)出現(xiàn)制品變形等注塑件缺陷，導(dǎo)致功率的過度消耗。但壓力過低則會(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)名稱熔體溫度/℃壓力變化范圍/MPa粘度增大倍數(shù)1PS1960～126.61342PS18014～175.91003PE1490～126.6144HDPE14～175.84.15LDPE14～175.85.66MDPE14～175.86.87PP14～175.87.3（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，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)剪切速率的敏感度序號(hào)塑料敏感度1ABS（最敏感）對(duì)剪切的敏感度依次降低2PC3PMMA4PVC5PA6PP7PS8LDPE（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)于剪切速率的依賴程度越小；分子量越大，粘度對(duì)于剪切速率的依賴程度越大。分子量分布寬的樹脂和雙峯分子量分布樹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渲垠w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塑件成型過程的難易。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，注塑件成型較容易。但如果粘度過大，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。
