絕大多數聚合物融體屬於假塑性的牛頓流體。射出流動中,融體黏度是受各種因素影響的變量。它不但取決於物理條件,受剪切速率、溫度和壓力的影響,還與聚合物的分子參數和添加劑有關。以下討論主要影響因素時,假設其他因素是不變的。塑料融體不但有黏性還有彈性。不穩定的融體流動和融體破裂會影響射出產品的品質。

目錄
1. 剪切速率的影響
2. 溫度的影響
3. 壓力的影響

1. 剪切速率的影響
射出流動的塑料融體黏度受物理狀態的影響很大,不但是溫度和壓力條件的函數,而且還依賴剪切速率。
聚合物融體的顯著特徵是具有非牛頓行為,其黏度隨剪切速率的增加而下降。在高剪切率的融體黏度比低剪切率下的黏度小幾個數量級。不同高踞物融體在流動過程中,隨剪切速率的增加,黏度下的的程度是不同的,如(圖1)所示。

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不同聚合物的黏度對剪切速率的依賴性,其敏感性有明顯的區別,(圖2)為幾種聚合物融體在熔融溫度範圍於(10^3~10^4)s^-1的剪切速率時的非牛頓指數n。表中指數n越小,非牛頓性越明顯。根據n的大小比較,敏感性較明顯的有LDPE、PP、PS、HIPS、ABS、PMMA和POM;HDPE、PA1010和PBT的敏感性一般;PA6、PA66和PC為最不敏感。 

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了解聚合物融體黏度對剪切速率的依賴性,對掌握射出加工重大意義。融體在射出模流道和成型型腔中,有(10^2~10^4)s^-1的剪切速率,其黏度有幾倍到幾十倍的變化,可以通過調節流通截面尺寸,來保證融體的流動性。例如在塑料射出模採用針點式的澆口。熔料以(10^4 )s^-1左右的高剪切率、以低黏度注入型腔。現代的高壓高速射出成型薄壁射出件,就是充分發揮了塑料融體的剪切變稀的性能。
 

2. 溫度的影響
控制射出溫度是調節塑料融體流動的重要手段。隨著溫度升高,聚合物分子間的相互作用力剪弱,黏度下降。但是各種聚合物融體對溫度的敏感性有所不同。如(圖3)所示,在溫度升高時,材料PC的黏度比HDPE的黏度下降明顯。

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在溫度範圍為T>Tg + 100°C時,聚合物融體黏度為溫度的依賴性,可用阿瑞尼斯方程式(Arrhenius equation)來表示。視剪切速率恆定的黏度流動得活化能不同,黏度表如下圖(圖4)。

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活化能是高分子鏈流動時用於克服分子間作用力,以便更換位置所需的能量,也就是每摩爾運動單位流動時所需要的能量。故活化能愈大,黏度對溫度越敏感,溫度升高時的黏度下降就越明顯。幾種聚合物融體在一定剪切速率下的活化能見(圖5),此表為特定材料在某個溫度下的恆定剪切率的(A值)(解釋說明參考圖5),比較(A值)大小可知,對於活化能較小的聚合物,例如PE和POM等,用升高溫來提高成型時的流動性,其效果有限,而用增高溫度來提高PMMA和PC等活化能較高的塑膠流動性是可行的。

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3. 壓力的影響
聚合物融體是可壓縮的融體。聚合物融體在壓力0.1~10Mpa下成型,與體積壓縮量小於1%。射出加工時,施加壓力可達100MPa,此時會有明顯的體積壓縮。體積壓縮必然引起自由體積減小,分子間距離減小,將導致流體的黏度增加,流動性降低。隨著壓力的提高,黏度以指數關係下降。竟壓力p的影響係數定義為(圖6)

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在測定恆定壓力下黏度隨溫度的變化和恆溫下黏度隨壓力的變化後,得知壓力△p增加與溫度下降△T對黏度的影響式等校的。在塑料加工工程中,以此來考慮靜壓力對黏度的影響。
在聚合物融體成型時,通常會遇到黏度的壓力效應和溫度效應同時起作用。壓力和溫度黏度影響的等校關係,可用換算因子(△p/△T)來處理。以此因此來確定與產生黏度變化所施加的壓力增量相當的溫度下降量。幾種聚合物融體的換算因子見(圖7)

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例如低密度聚乙烯在常壓和167°C下的黏度,要在100Mpa壓力下維持不變,需升高多少溫度。根據(圖7)中換算因子為0.53°C/Mpa,溫度升高為(圖8)。

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換言之,此融體在220°C和100Mpa時的流動行為,與在167°C和0.1Mpa時的流動行為相同。在射出成型的高壓下,黏度的提高相當於溫度下降了幾十度,並且還存在剪切速率對黏度的影響。

 

以下資料是塑料融體黏度流動的相關說明以及資料,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/1CZPPfM09zEbLwCkGqq4steTb_OExqrvb/view?usp=sharing
解壓縮密碼:plastic20220605

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