影响塑料熔体流动的因素分析

粘度是描述塑料熔体流动行为的重要量度，是塑料模具设计不可缺少的工艺数据，因此分析了解其影响因素十分重要。

实际上，聚合物熔体的粘度由两个方面的因素决定：一是在聚合物熔体内的自由体积。自由体积是聚合物中未被聚合物占领的空隙，是大分子链段进行扩散运动的场所。凡能引起自由体积增加的因素均能活跃大分子的运动，并导致聚合物熔体粘度的降低；二是大分子之间的缠结使分子链的运动变得非常困难。因此凡是能减少这种缠结作用的因素，都能加速分子链的运动，并导致熔体粘度的降低。

具体来说，影响塑料熔体流动的因素有温度、压力、剪切速率或剪切应力以及聚合物结构因素和组成。

1.温度对熔体粘度的影响

在高分子加工中，温度是进行粘度调节的重要手段。在塑料加工温度为T_f～T_d时，一般温度升高，粘度下降。

在不同温度范围，粘度与温度的拟合关系（函数关系）也不同。

1）当聚合物处于粘流温度T_m以上不宽的温度范围内，粘度对温度的依赖关系可用Andrade公式表示，即

lnη=lnA+E_η/RT

式中　E_η——聚合物粘流活化能（kcal/mol）；

A——粘度常数；

R——气体常数。

粘度仅与温度T有关。E_η的大小反映出聚合物粘度对温度的依赖性，E_η越大，熔体对温度越敏感（不同材料对温度的敏感性不一样）。对E_η较大（温敏性）的聚合物，只要不超过分解温度，提高加工温度都会降低粘度、增大流动性。表1-24中列有若干聚合物熔体的粘流活化能。

2）在玻璃化温度T_g～T_g+100℃的温度范围内，粘度对温度的依赖关系可用W.L.F.方程表示：

表1-24　若干聚合物熔体的粘流活化能

注：百分含量为质量分数。

若选择T_s（T_s>T_g，高40～50℃的范围）为基准温度，对一般非晶态聚合物来说，W.L.F.方程的一般式为：

W.L.F.方程是用一定温度下所测定的粘度数据来计算非晶态聚合物在其他温度时的粘度的方法，也可在粘度已确定的情况下用来计算所需的温度，但有适用范围。

2.压力对熔体粘度的影响(www.xing528.com)

压力增加，粘度增加。这是因为压力作用使得分子间隙减小，大分子间距离缩小，链段跃动范围减小，分子间作用力增加，引起流体粘度相应增大。不同聚合物的压缩率不同，粘度对压力的敏感性也不同。表1-25列出了若干聚合物在不同压力下的粘度比值。

表1-25　聚合物在不同压力下的粘度比值

增大压力引起粘度增大这一事实说明，单纯通过增大压力去提高聚合物熔体的流量是不恰当的。过大的压力不仅会造成功率的消耗，而且还会造成设备过度磨损。事实上，一种聚合物在正常的加工范围内，增大压力对粘度的影响和降低温度对粘度的影响具有相似性。例如，对很多聚合物而言，当压力从零增到100MPa时，其粘度的变化相当于降低温度30～50℃的作用。这种在生产过程中通过改变压力或温度，都能获得相同的粘度变化效应，被称为压力-温度等效性。

表1-26列有若干聚合物熔体的温度与压力的等效值（ΔT/Δp）_η。在维持粘度不变的情况下，（ΔT/Δp）_η值与相对分子质量无关。

表1-26　若干聚合物熔体的温度与压力的等效值

3.剪切应力或剪切速率对熔体粘度的影响

在非牛顿型流动区的剪切速率范围，当剪切速率增加时，大多数聚合物熔体的粘度会下降（剪切变稀），改变剪切速率是进行粘度调节的一个重要手段。

不同聚合物对粘度的剪切敏感性不一样。对剪切速率敏感的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等；对剪切速率不敏感的聚合物包括聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺等。

对塑料模具设计来说，如果塑料熔体的粘度在很宽的剪切速率范围内都是可用的，则选择在粘度对剪切速率不敏感的范围内进行，以保证质量的稳定。

根据聚合物粘度对剪切速率、温度的敏感性差异来选择粘度改变方法，从而有效地改变其成型性。

4.聚合物结构因素和组成对粘度的影响

（1）链结构和链的极性　长支链支化使熔体粘度显著提高，支化程度越大，粘度升高越高，流动性显著降低，长支链也增大了聚合物粘度的切敏性；链的极性越大，分子间作用力增大，粘度越高。刚硬性增加和分子间吸引力越大（极性聚合物和结晶聚合物），则粘度的温敏性增加。

（2）相对分子质量　相对分子质量越大，粘度越大。因为相对分子质量M越大，分子链越长，链段数越多，要这么多的链段协同起来朝一个方向运动相对来说要难些。此外，分子链越长，分子间发生缠结作用的几率越大，从而流动阻力增大，粘度增加。

临界相对分子质量M_c（5000～15000）以下聚合物熔体表现为牛顿型流动；M_c以上聚合物流动时的非牛顿行为随相对分子质量的增加而加强。

对过高相对分子质量的聚合物进行加工时，常加入低相对分子质量物质（溶剂或增塑剂）或采用降低相对分子质量的方法来降低粘度，改善其加工性。

（3）相对分子质量分布　在平均相对分子质量相同时，熔体的粘度随相对分子质量分布的增宽而迅速下降，表现出更多的非牛顿性。相对分子质量分布窄的聚合物温敏性大；相对分子质量分布宽的聚合物切敏性大。

（4）添加剂　固体物质的加入一般会增大体系的粘度，降低流动性；溶剂或增塑剂的加入能够降低体系粘度，增大流动性，且非牛顿流动的临界剪切速率随溶剂含量的增加而增大。