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粘度：塑料加工中必須要掌握的參數(shù)
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特性。即剪切速率的增加要比切應(yīng)力的增加來得快。
圖1 剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系
與之相對應(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模具型腔中的流動和填充。
注塑過程中塑料要通過料筒加熱，然后經(jīng)過注塑機(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)過各個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。
圖2 剪切速率于粘度的關(guān)系
二、影響粘度的幾個因素
粘度是塑料加工性最重要的基本概念之一，是對流動性的定量表示，影響粘度的因素有熔體溫度、壓力、剪切速率以及相對分子質(zhì)量等，下面分別敘述。
圖2：塑料融化吊燈
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，塑料的粘度同時也受到溫度的影響。所以，只有剪切速率恒定時，研究溫度對粘度的影響才有實際意義。一般說，塑料熔體粘度的敏感性要比對剪切作用敏感強(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。這是因為，溫度升高，必然使得分子間，分子鏈間的運動加快，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，還會引起分解，溫度太低，熔體粘度大，流動困難，成型性差，并且彈性大，也會使制品的形狀穩(wěn)定性差。
但是不同的塑料粘度對于溫度的敏感程度不同。聚甲醛對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 |
|
對溫度敏感度 |
最高 |
較高 |
高 |
一般 |
差 |
在實用中，對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性能，如PMMA、PC、CA、PA。但是對于敏感性差的塑料，提高溫度對于改善流動性能并不明顯，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 |
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 |
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MPa 。在此壓力作用下，大分子之間的距離減小，鏈段活動范圍減小，分子間距離縮小，分子間的作用力增加，致使鏈間的錯動則更為困難，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）對于壓力的敏感程度最高，即增加壓力時，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)?。過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，填充性能有時還會有下降的可能，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，還會出現(xiàn)制品變形等注塑缺陷，導(dǎo)致功率的過度消耗。但壓力過低則會造成缺料。
結(jié)合溫度對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)，增加壓力對塑料熔體粘度的影響和降低溫度對于塑料粘度的影響效果相似。例如對于很多塑料，當(dāng)壓力增加到100 MPa時，其粘度的變化相當(dāng)于降低溫度30～50℃的作用。
幾種塑料對于壓力的敏感程度如表3所示。
表3：壓力對塑料熔體粘度的影響
|
序號 |
名稱 |
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 |
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?；蛘哒f，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于剪切速率的敏感性如表4所示。
表4：塑料熔體粘度對剪切速率的敏感度
|
塑料敏感度排名 |
對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） |
這一點對使用的啟示是：在一定的剪切速率范圍內(nèi)，提高剪切速率會顯著降低塑料的粘度，改善其流動性能。盡管如此，寧可選擇在熔體粘度對剪切速率不太敏感的范圍進(jìn)行工藝調(diào)整，否則因為剪切速率的波動，會造成加工不穩(wěn)定和塑料制品質(zhì)量上的缺陷。
對于塑料，在給定溫度下，隨著相對平均分子質(zhì)量的增大，塑料的粘度增大。相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強(qiáng)，于是粘度也高。
塑料的相對分子質(zhì)量越小，粘度對于剪切速率的依賴程度越??；分子量越大，粘度對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。因為低分子量鏈部分有利于提高樹脂熔體流動性。
（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 |
|
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，熔體粘度為50～500帕－秒，注射成型較容易。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?，F(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。
