剪切速率、温度和压力对影响剪切的研究

注射流动的塑料熔体黏度受物理状态的影响很大，不但是温度和压力条件的函数，而且还依赖剪切速率。

1.剪切速率的影响

聚合物熔体的显著特征是具有非牛顿行为，其黏度随剪切速率的增加而下降。在高剪切速率下的熔体黏度比低剪切速率下的黏度小几个数量级。不同高聚物熔体在流动过程中，随剪切速率的增加，黏度下降的程度是不同的，如图2-17所示。

图2-17 几种聚合物的表观黏度与剪切速率的关系

1—ABS（210℃） 2—聚砜（310℃） 3—聚碳酸酯（270℃） 4—聚甲基丙烯酸甲酯（200℃） 5—软聚氯乙烯（170℃） 6—聚酰胺1010（230℃） 7—聚对苯二甲酸乙二醇酯（270℃） 8—聚丙烯（180℃，MFR=2.61） 9—聚苯乙烯（190℃） 10—低密度聚乙烯（150℃，MFR=6.58）

不同聚合物的黏度对剪切速率的依赖性，其敏感性有明显区别。表2-7为几种聚合物熔体在熔融温度范围于（10³～10⁴）s^-1的剪切速率时的非牛顿指数n。表中指数n越小，非牛顿性越明显。根据n的大小比较，敏感性较明显的有LDPE、PP、PS、HIPS、ABS、PMMA和POM；HDPE、PA1010和PBT的敏感性一般；PA6、PA66和PC为最不敏感。

表2-7 几种聚合物熔体在（10³～10⁴）s^-1剪切速率时的非牛顿指数n

（续）

了解聚合物熔体黏度对剪切速率的依赖性，对掌控注射加工有重大意义。熔体在注射模流道和成型型腔中，有（10²～10⁴）s^-1的剪切速率，其黏度有几倍到几十倍的变化，可以通过调节流通截面尺寸，来保证熔体的流动性。例如在塑料注射模中采用针点式的浇口，熔料以10⁴s^-1左右的高剪切速率、以低黏度注入型腔。现代的高压高速注射成型薄壁注塑件，就是充分发挥了塑料熔体的剪切变稀的性能。

图2-18 聚合物熔体黏度与温度的关系

2.温度的影响

控制注射温度是调节塑料熔体流动性的重要手段。随着温度升高，聚合物分子间的相互作用力减弱，黏度下降。但是各种聚合物熔体对温度的敏感性有所不同。如图2-18所示，在温度升高时，材料PC的黏度比HDPE的黏度下降明显。

在温度范围为T>T_g+100℃时，聚合物熔体黏度对温度的依赖性，可用阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程来表示。视剪切速率恒定的黏性流动的活化能不同，黏度表示为

式中 A——与材料性能和剪切速率有关的常数（Pa·s）；

——在恒定剪切速率下的黏流活化能（J/mol）；

R——气体常数[8.12J/（mol·K）]；

T——热力学温度（K）。(www.xing528.com)

活化能是高分子链流动时用于克服分子间作用力，以便更换位置所需的能量，也就是每摩尔运动单元流动时所需要的能量。故活化能越大，黏度对温度越敏感，温度升高时的黏度下降越明显。几种聚合物熔体在一定剪切速率下的活化能见表2-8。此表为特定材料在某个温度下的恒定剪切速率的值。比较值大小可知，对于活化能较小的聚合物，例如PE和POM等，用升高温度来提高成型时的流动性，其效果有限，而用增高温度来提高PMMA和PC等活化能较高物料的流动性是可行的。

表2-8 几种聚合物熔体的活化能

3.压力的影响

聚合物熔体是可压缩的流体。聚合物熔体在压力0.1～10MPa下成型，其体积压缩量小于1%。注射加工时，施加压力可达100MPa，此时会有明显的体积压缩。体积压缩必然引起自由体积减小，分子间距离减小，将导致流体的黏度增加，流动性降低。

随着压力的提高，黏度以指数关系下降。静压力p的影响系数定义为

对于热塑性聚合物熔体，压力对黏度的影响系统平均值Γ等于0.033×10^-5Pa^-1（0.33MPa^-1）。有相应的计算式

式中，η_rp为常压下物料的黏度。如果p=100×10⁵Pa，则有η/η_rp=1.39，见表2-9。

表2-9聚合物熔体的黏度与静压力p的关系

在测定恒定压力下黏度随温度的变化和恒温下黏度随压力的变化后，得知压力Δp增加与温度下降ΔT对黏度的影响是等效的。在塑料加工工程中，以此来考虑静压力对黏度的影响。

在聚合物熔体成型时，通常会遇到黏度的压力效应和温度效应同时起作用。压力和温度对黏度影响的等效关系，可用换算因子（Δp/ΔT）η来处理。以此因子来确定与产生黏度变化所施加的压力增量相当的温度下降量。几种聚合物熔体的换算因子（Δp/ΔT）η见表2-10。

表2-10 几种聚合物熔体的换算因子（Δp/ΔT）η

例如低密度聚乙烯在常压和167℃下的黏度，要在100MPa压力下维持不变，需升高多少温度。根据表2-10中换算因子为0.53℃/MPa，温度升高为

ΔT=0.53×（100-0.1）℃≈53℃

换言之，此熔体在220℃和100MPa时的流动行为，与在167℃和0.1MPa时的流动行为相同。

在注射成型的高压下，黏度的提高相当于温度下降了几十度，并且还存在剪切速率对黏度的影响。在计算机对注射成型的流动分析时，为了描述熔体黏度与剪切速率、压力和温度的函数关系，建立起这三个参量的材料黏度方程。这将在本章的2.4节中陈述。