橡胶的牛顿型流体与非牛顿型流体
来源: | 作者:巨鼎橡塑 | 发布时间: 2022-02-11 | 57 次浏览 | 分享到:
橡胶的流动行为

橡胶的流动行为

(一)牛顿型流体与非牛顿型流体

液体的流动是在外力作用下,分子进行不可逆位移的过程。由于液体分子间存在着相互作用力,当液体流动时,分子间就产生反抗其相对位移的摩擦力,通常把这种分子间的摩擦力称为内摩擦力。内摩擦力的存在是液体流动时具有一定粘度的内因,显然,分子间的相互作用力越大,液体流动时表现出的粘度也越大。一般低分子液体的粘度是一个材料常数,它只与温度和压力有关,与形变速率和时间无关。但高分子的情况就复杂得多,粘度随形变条件而变化,而且还与时间和形变速率有关。

橡胶流动时表现出的高粘度,一方面与巨大的分子量有关,另一方面与大分子间形成的缠结有关。所谓缠结是由于柔性分子链间相互扭曲而形成的几何缠结,这种缠结使局部的分子间作用力增大。

从流体力学得知,若雷诺准数Re<2300时,流体的流动形式为层流(或称稳流、滯流);若Re>2300时则转变为湍流(或称素流)。由于橡胶的粘度很大,在一般加工条件下流动很慢,Re《1故为层流流动,即剪切流动。

在剪切流动中,按切应力(r)与切变速率(Y)的关系,可将流体分为两大类牛顿型流体和非牛顿型流体。

1、牛顿型流体

剪切流动可以理解为为一对平行板,面积为A,相距dy,板间充以某液体,当对上板施加一推力F使其产生速度变化dv,由于液体的粘性将此力层传递,各层液体也相应运动,形成一速度梯度dv/dy称为切变速率(如图8-1所示)。

牛顿型流体的特征是切应力(F/A)与切变速率成正比,是线性关系:

该粘度被定义为剪切粘度(另有拉伸强度),一般所指粘度多为剪切粘度。

 

牛顿流体是最典型、最基本的流体。低分子化合物的液体都属于牛顿流体。低切变速率下的橡胶和橡胶的稀溶液为使计算简化,亦可作为牛顿流体处理。

 

2、非牛顿型流体

 

凡是不服从牛顿枯度定律的流体都称为非牛顿流体。非牛顿流体的特点是粘度不是常数,随切应力、切变速率的变化而变化,称为表观粘度。

 

(1)分类

 

非牛顿流体包括许多结构复杂的流体,较为重要且研究较多的有:宾哈流体、假塑性流体和胀塑性流体等。其流动曲线如图8-3所示。

宾哈流体是一种理想塑性体。一些膏状物和大多数高聚物在良溶剂中的浓溶液可以认为是宾哈流体,因为它们内部存在凝胶性结构,只有当应力大于,后,这种结构便破坏而产生流动。

 

②假塑性流体:2曲线所示。流动曲线通过原点,表现粘度随切应力、切变速率的增加而降低.流动曲线弯向切变速率座标轴。在切变速率很高时,π--r曲线虽呈直线但不存在屈服应力。橡胶和大多数热塑性塑料属于此类流体。

 

③胀塑性流体:3曲线所示。其流动曲线也通过原点,但表观粘度随切应力和切变速率的增大而升高,流动曲线弯向切应力座标轴。某些强极性的易形成氢键的高聚物如尼龙、涤纶等属于此类流体。

这里应指出,某些非牛顿流体对时间有依赖性,在恒温恒应力下,其表现粘度随应力作用时间的增加而增大或减少,直至达到某一平衡值后,便不再发生变化。一般说来,粘度的变化是体系内部结构发生改变的缘故。粘度随时间而增加说明体系内形成了某种结构,这种流体称为流凝性流体,粘度随时间增加而减少说明体系内结构遭到破坏,这种流体称为触变性流体。

(2)幂律方程

描述非牛顿型流动在理论上和经验上有不少的方程式,但应用广泛且简单的是幂律方程:

式中:为流体的稠度n为流变指数;都是与材料性质有关的常数。

 

K值表征流体的粘度,K值大则η值大。对橡胶而言,与胶料的性质有关,如加入填充(补强)剂,则K值增大,加入软化剂则K值下降。还与温度有关,温度升高,K值下降。

n值表示非牛顿流体与牛顿流体之间的差异程度。当n=1时,K=n为牛顿型流体;当n<1时为假塑性流体;当n>1时,为胀塑性流体。

对橡胶而言,n值随温度升高而增加但在一定温度(温差±30℃范围)是常数;n值与分子量分布有关,随分子量分布加宽或变窄교值相应减小或增大;n值与填充(补强)剂或软化剂有关,前者加入n值下降,后者加入n值上升

据粘度的定义,可推算出非牛顿型流体的表现粘度:

可见,表现度不是常数,而是随切变速率变化的,通常所测得的多为n,而不是K值。

图8一4显示了牛顿流体(a)、胀塑性流体(b)与假塑性流体(c)在园管中流动的速度分布。牛顿流体为抛物线形;胀塑性流体为尖突的抛物线形;假塑性流体则中心平钝。

(3)假塑性流体的流动曲线和表观粘度。

塑炼胶和混炼胶都属于假塑性流体,表观粘度随切变速率的增加而减小,从图8-나5中知假塑性流体的流动曲线包括三个区城:

OA段—牛顿型流动区。此时值很小,曲线为ー小段直线,粘度大且为常数,是体系的最大粘度(n)。常用no作为橡胶粘度的标准。是橡胶最大松弛时间的反映。此时分子不取向,或取向程度甚少,故是牛顿型流动。

AB段一非牛型流动区,表现植度n。随切变速率增大而降低,这是因为橡胶分子链是无规线团,互相缠结,这种结构对流动的阻力较大,具有较大的粘度,当切变速较大时。卷曲交缠的分子链被拆散取向,取向使大分子间相对滑移容易,故表观粘度降低。

BC段一二次牛顿型流动区。r值很大,粘度降低且趋于一极限值,此时表观粘度。表示。这是因为当分子链取向达到平衡状态后,取向程度不再随r而改変,故

一般情况下,假塑性流体的粘変化为

通过以上讨论看出,假塑性流体可以出现三个切变流动区。在低切变速率下为牛顿流动区,在该区内粘度和切变速率无关;在高切变速率下为非牛顿流动区,粘度随切变速率增加而减少;当切变速率进一步增加时,出现第三区,此时粘度与切变速率也无关,所以此区域叫做二次牛顿型流动区。在二次牛顿流动区内橡胶熔体发生破裂现象。