剪切速率、剪切應力、剪切熱等等,這些是很重要的非牛頓流體概念,因為在射出成型問題中,料花、噴射痕等澆口所引起的射出成形問題點都是跟這些有關。
在面對這些問題時,現場技師最常用的技巧就是澆口位置多出一段射出條件,來控制射壓和射速,很多技師都知道怎麼做,但都卻不知道是怎麼回事,甚至不會說。有些很理論的計算方程式其實可以不用特別去學習如何計算,但是這些原理對於射出成型的影響要有所了解,因為你了解這些後,遇到這一類澆口所引起的成型問題時,你就知道該怎麼下對策處理,很多事情就自然而然地迎刃而解。

目錄
1. 噴泉效應與皮膚效應
2. 黏度
3. 剪切率
4. 剪切應力
5. 剪切熱
6. 參考資料

1. 噴泉效應與皮膚效應
在充填過成中,熔膠因受到剪切流動的影響,而沿著流動方向排列。高溫熔膠通常是射入溫度較低的模具中,在熔膠波前,因剪切流動和延伸流動的組合效應不斷地強迫流體元素從肉厚中心流向模壁(圖1),有如噴泉般的前進方式,此稱為噴泉效應(Fountain Effect);而當高溫熔膠接觸較冷的模壁時,則成品表面附近的熔膠溫度會快速下降,導致產生固化層(圖1),此稱為皮膚效應(Skin Effect),如圖(圖1)所示。
當熔融塑料進行充填時,其中間部份產生加速流動,以幾乎一維的流動方式,沿著波前前進方向逐漸加速。由(圖2)中的流體元素1到3之變化可看出,塑料中心部份的流體元素一開始處於無定向排列,隨著熔融塑料流動,因受噴泉效應與剪切應力的作用,流體元素的流動速度較快,分子鏈會沿著流動方向排列,造成流體元素逐漸具有排向性,因此流體元素由一開始的纏集結構逐漸被賦予排向性(圖3)。
塑料流至波前位置後,而後逐漸被往兩側模壁推擠,因此元素受到拉伸應力 而產生變形,然後元素將沿波前往兩側流動,此時的流動為二維流動,直到碰觸模壁後冷卻而形成固化層。因此塑料前緣是以中間塑料向兩側湧出固化而不斷前進的充填方式,此現象如同噴泉噴水或火山爆發一樣,是向四周湧出的,此種局部流動現象被稱為噴泉流動或火山口流動。由(圖2)中的流體元素3到5 之變化可看出,加速流動元素受波前拉伸而變形為長條型(圖3),此時變形的流體元素排向與波前一致,當塑料從中心部份往兩側碰觸到模壁時,熔膠溫度會快速下降,造成模壁與流體元素間摩擦,靠近模壁部份之塑料的流動速度較慢,將使得分子鏈產生凍結,因而導致固化層的產生。

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2. 黏度
黏度(Viscosity)為流體基本的流變性質,反映流體流動的好壞。黏度大,不易流動;黏度小則容易流動。
由於塑膠分子是互相糾纏的狀態,當塑膠分子流動時,流速快慢會影響其糾纏的程度,慢速流動其糾纏的程度較大(此時黏度高),流速快則其糾纏的程度逐漸鬆開(此時黏度低)。糾纏的程度可視為塑膠熔融狀態的黏度,此物理量可由剪切率及剪應力來定義。對大部分熔融高分子而言,黏度為剪切率及溫度的函數,且受分子量大小及分布所影響。
黏度是反映流動流體黏性阻力大小的指標,影響黏度主要因素有溫度及剪切率(圖4),溫度越高則黏度越低,而剪切率越高則黏度越低。因此黏度與壓力和溫度都有絕對關係,一般分為動力黏度、運動黏度、與條件黏度。

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3. 剪切率
剪切率 (shaer rate),是一般指速度梯度(圖5),流體在兩介面之間流動時,由於材料之間摩擦力的存在,使流體內部與流體和介面接觸處的流動速度發生差別,產生一個漸變的速度場,稱為速度梯度,或稱切速率、剪率、剪切速率。

  1. 熔膠在模具內流動會受模壁影響形成層狀剪切流動(圖5)。
  2. 中間區流速快,靠近模壁附近流速慢,形成速度梯度(dV/dY) (圖6)。
  3. 速度梯度又稱為剪切率(shear rate) ,剪切率過大表示相鄰兩層熔膠的速度差異很大,會造成滑動,形成表面瑕疵。
  4. 剪切率公式(圖7)。

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4. 剪切應力
剪切應力(Shear stress)的定義為每單位面積所承受的剪力(Shear Force),此剪力的方向與受力面平行(圖8)。一般而言,高剪切應力將導入較高的分子方向性(Molecular Orientation),此對於成品的比面性質有較不好的影響,因此在成型過程中,應避免太高的剪切應力分布。
剪切應力代表塑料在加工過程中,由於剪切流動造成的應力大小,根據牛頓黏度定律(newton’s law of viscosity),切應力線性比例於切變速率,而比例常數即為黏度。
流體所受之剪應力愈大,則速度梯度愈大,亦即流體愈容易流動,由(圖9)的方程式中可以得知剪切應力與黏度和剪切速率是密切相關的。
由於高分子流體屬於非牛頓形流體(non-Newtonian fluids),最常用的工程模式為冪次定律(Power law)(圖10)

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5. 剪切熱
在模穴內充填的高分子熔膠,因本身溫度與模壁溫度差異甚大,所以靠近模壁處會先有一層固化層的產生,隨即固化層與流動中的熔膠就會因摩擦產生剪切熱(shear heating),黏度此時也會因為剪應變率的面化而跟著改變。在充填中的熔膠,中心溫度最高,靠近模壁處較低,但剪切力所產生的剪切熱反而以靠近模壁處的溫度較高,於是綜合此兩者因素會產生雙峰效應,如(圖11)。當充填速度快的時候,剪切率也較大,所產生的剪切熱高,高分子或纖維等的排向較佳。

剪切熱的作用

  • 剪切變稀

剪切變稀(shear thinning)又稱剪切稀化,是指流體的粘度隨剪應變率的增加而減小。擁有此種性質的流體屬於非牛頓流體,降低表觀粘度,提高熔體的流動性。對剪切敏感的材料如:PP、PS、ABS、POM等。 
發生最劇烈的位置是在塑料固化層與中間熔融塑料的交界處。在流動中心的剪切率則為最低,趨近於零。(圖12)表示塑料於流道中流動時的剪切率大小的分布狀態。因此,主流道剖視圖解析,塑料性質的分布狀態,如(圖13)所示,圓形流道截面外圍會有高剪切率與高溫環狀分布狀況。

  • 熔體裂解:

過高的剪切速率造成很高的剪切熱使熔體發生降解

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6. 參考資料
     黏度(或稱黏滯性)

https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=59367
  流体力学基础_02_粘性


流變學教學 CH1-3 (Rheology) 什麼是黏度? 流變儀!?


什麼是函數?


函數的基本觀念


流變學

 

以下資料是流道系統的剪切速率相關說明以及資料,有興趣的人可下載了解。

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檔案下載位置:
  https://drive.google.com/file/d/1onIysVHrHizg0jpIYi2KP9luitM7Nmby/view?usp=sharing
解壓縮密碼:runner20220514

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