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1、流变学是介于力学、化学和工程学之间的交叉、边缘学科,其应用范围十分广泛,随着工业的发展和技术的进步又促进了这一新科学的综合发展,而进一步形成各个边缘科学的流变学,如聚合物流变学就是流变学在聚合物加工中的应用而发展起来的。聚合物流变学是适应高分子材料的发展而逐渐形成的,在聚合物的合成阶段,流变学与化学结合在一起;而后续的所有阶段中,则与聚合物加工与应用相结合。在高分子材料中,塑料约占70%,而塑料加工方法却有30多种,但大多数的加工方法都以熔体加工为基础。即先将固态塑料加热、熔化、混合、输送、赋形,再经固化得到所需的制品。材料所经受的加
2、热和变形历程将影响塑料微观结构,因而影响制品的最终性能。可见,塑料的流变特性在塑料加工中起着决定性的作用,如果不弄清塑料熔体的流动和变形,就不容易对所用聚合物和填加剂、配方设计以及设备结构提出恰当的要求,因而不能迅速提高制品质量和改进工艺。塑料加工流变学就是适应塑料加工发展的需要而提出的,它的主要任务是以塑料(或聚合物)流体(主要是熔体)作为研究对象,应用流变学的基本原理,分析和处理塑料加工过程中的工艺和工程问题,从而提高塑料制品的质量和生产效率。流变学在注塑成型加工中的应用流变学在注塑成型加工中的应用发展成为注塑流变学,它是聚合物熔
3、体流变学和塑料加工流变学的重要组成部份。具体来讲,它在注塑成型加工中的应用主要有以下几种形式。1注射喷嘴中的熔体流动分析喷嘴是注塑机的料筒和注塑模的浇注系统的连接件。聚合物熔体在喷嘴中的流动行为对整个注塑过程有相当大的影响[2]。这种影响主要是考虑温度对聚合物熔体粘度的影响,这主要是粘性发热的确定问题。这是由于粘度对温度有很大的依赖性,而聚合物熔体在喷嘴中的流动常常会产生相当大的粘性热,为了分析熔体的流动行为,必须考虑粘性发热。利用流变学的绝热流动模型可以解决这个问题。根据热力学第一定律可得以下方程:ρQCρ△T=Q△P(1)其中:ρ
4、为加工物料密度,Q为流率,Cρ为物料定压比热容,△T为平均温升,△P为不考虑压力效率的压力差。因此可得:△T=△P/(ρCρ)(2)而粘度与温度的关系可用如下方程表达:μ=μ0exp[-b(T-T0)](3)其中:μ为温度T时的粘度,b为经验常数,T0为壁温。根据上述方程,采用适当的方法,可求出壁温对出口温度的影响。通过研究可知:壁温T0越低,粘性耗散则越大。2注塑模浇注系统的设计浇注系统不仅是用于连接注塑机和注塑模实现充模,而且对制品的质量(如尺寸稳定、内应力、缩孔、凹陷及力学强度等)有重大的影响。因此根据塑料熔体的流变行为,选择浇
5、口位置与数量,确定最佳浇注系统尺寸显得很有意义。当主流道和分流道的剪切速率γÛ=5×102s-15×103s-1,浇口的剪切速率γÛ=104s-12105s-1时,熔体接近等温流动[3]。根据聚合物流变学原理设计的浇注系统可使熔体在浇道中的运动接近等温流动,可以克服经验设计的不足。热塑性塑料在加工过程中皆呈现出非牛顿型流体行为。实验表明,大多数塑料γÛ=5×102s-15×103s-1,粘弹性基本恒定,可使用下面的经验公式表示,γÛ=313Q/πRN3(cm3/s)(4)其中:γÛ为剪切速率,Q为体积流率,RN为流道截面当量半径。方程
6、(4)可供设计浇注系统时使用注塑模流动分析充模决定成型速率和制品性能,是注塑过程中最重要的阶段。而塑料熔体在型腔中的运动极其复杂,为了缩短生产周期,降低成本,提高制品质量,近年来,将流变学基本方程应用于注塑成型的流动过程,通过适当简化,从而实现计算机充模流动模拟,为模具设计与注塑工艺优化提供定量依据。这主要是利用流变学的基本方程(连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、流变本构方程)进行熔体流动分析,然后建立数学模型,最后实现数值分析。主要步骤如下:(1)确定以下流变学基本方程的具体形式[4]a 连续性方程b Navier2stoke
7、s运动方程c 能量守恒方程d 流变本构方程(2)数学模型的建立注塑模的流动问题是一个粘弹、非稳定及非等温的复杂问题,加上模腔内流动几何形态的复杂性,要想精确描述其流动过程是非常困难的。因此在实际应用中必须做适应简化和假定,然后把这些假设运用上述基本方程,可得充填过程的控制方程[4]。现在,在市场上已出现了一些商品化的CAE软件可以用于充模流动分析,比如美国ACTeclrnology公司的C2MOLD,澳大利亚MF公司的MoldFlow等,并指导实际生产,取得了显著的经济效益。3注塑制品内应力分析注塑成型的制品或大或小都存在一定的非均匀
8、分布的内应力,影响制品的正常使用。比如在1模多腔成型相同制品时,虽然成型条件相同,但每个制品的内应力的大小并不相同,若是1模多腔成型不同的制品时,则每个制品的内应力大小与分布就更不相同,即使在单型腔模具中,每次成型的制品
