一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵導管內（nèi）的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經（jīng）常會遇到聚（jù）合物熔體在（zài）各種幾何形狀導管內流動的（de）情況。如在注射過（guò）程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入（rù）型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物料流（liú）速分布、端末效應等（děng）都是十分重要的，因為（wéi）這對控製成型注塑加（jiā）工工藝、塑件產（chǎn）量和質量、設計成型設備和模具都有直（zhí）接（jiē）關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜（zá）性，目前隻能（néng）對幾種（zhǒng）簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為（wéi）R的圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左（zuǒ）向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截（jié）麵的乘積必等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中（zhōng）流動液體受力分析。由此看出，切應力為（wéi）零，逐（zhú）漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果（guǒ），又可說明流體在圓形導管內的速度分布（bù）為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴於所（suǒ）施加的切應力，所以（yǐ），可（kě）用下麵函數關係來表示，對於（yú）牛頓流體，由於牛頓黏性定律可（kě）以看（kàn）為指數（shù）方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流（liú）速、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速率（lǜ）的計（jì）算（suàn）公式。線幾何形狀相（xiàng）似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀（guān）流動行為指數。

(二)在扁形（xíng）導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在（zài）扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位（wèi）長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽寬（kuān）度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍（bèi），此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成（chéng）為牛頓流體的流動行為（wéi），即為（wéi）牛（niú）頓（dùn）黏性定律方程式，此處（chù）K就成為黏度n.

(三)端（duān）末效應與速度分布

如前所述，在推導流（liú）體在（zài）各種截麵（miàn）流道內（nèi）流動的流動（dòng）方程式時，不論（lùn）牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩（wěn）定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管（guǎn）壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減（jiǎn）少（shǎo），而在管（guǎn）壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管（guǎn）內時就不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都（dōu）隨時發生變化，因而其速度分布（bù）幾乎（hū）平坦而（ér）成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁（bì）處為零（líng），流（liú）體（tǐ）在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方（fāng）能形（xíng）成，實驗測（cè）定（dìng），流體在此段內的壓力降總是比用式算出的大（dà）。這是因為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形（xíng）和速度（dù）調整消耗一部分的結（jié）果（guǒ）。

這種（zhǒng）入口損耗曾有人設想為相當於一段導（dǎo）管所（suǒ）引起的損耗，事實（shí）上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構（gòu）長度”或（huò）“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一（yī）般約為導管半（bàn）徑的6倍（bèi），在此區域內，料流已經不受導管約束，料（liào）流各點速度在此重（chóng）新調（diào）整為相等（děng）的速度。

另外，在出（chū）口區，假塑性流體繼（jì）收縮之後（hòu）由於彈性（xìng）恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定（dìng）時，導管越短，膨脹（zhàng）越嚴重，可達一倍之（zhī）多。除上述入（rù）口與出口端（duān）末效應外，還有一種現象，即當剪（jiǎn）切速率高達一定值時（shí），流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪（jiǎn）切速率（lǜ）越大，流出物（wù）越粗糙，甚（shèn）至不能成流，很快斷裂（liè），這種現象稱為“熔體（tǐ）破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改（gǎi）進成型口模和將流（liú）量控製（zhì）在（zài）一定（dìng）範圍內來解決。為了分析流（liú）體在穩定流動時的速（sù）度分布，對於符合指數函（hán）數方程式的非牛頓流體和（hé）牛頓流體。

二、注射成（chéng）型中的（de）流動狀態分析

注射成（chéng）型（xíng）中的流動過程（chéng），可（kě）以分（fèn）成三個區段。第（dì）I區（qū）段是塑料物料在（zài）注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好（hǎo）的熔體儲（chǔ）存在（zài）料筒的端部。第II區段是儲（chǔ）存在料（liào）筒端部的塑料熔體受螺杆的向（xiàng）前推壓通過噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道（dào）和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流（liú）道長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡（jiǎn）單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生物（wù）理、化學（xué）變化。第II區段是塑料（liào）熔體（tǐ）經澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三（sān）維流動（dòng）、相遷（qiān）移理論、不穩定導熱等方麵的（de）知識（shí）。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經（jīng）過多種截麵形狀的流道，這裏（lǐ）阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具（jù）中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時（shí）間而變化，溫（wēn）度場不穩定。盡管如此，仍可（kě）對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料（liào）熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的（de）基本要求是（shì）根據型腔體積（jī）將（jiāng）足量的塑料（liào）熔體以較快的速度注入（rù）型腔，再配（pèi）合其他各種條件，效率地生產出外觀（guān）和內部質（zhì）量均好的注射塑件。根據實踐經（jīng）驗，由（yóu）於注射機的規格已根據塑件體積選定（dìng），注射速率為（wéi）已知值，也（yě）即（jí）理想的（de）qv值已確定，因此，根（gēn）據（jù）表（biǎo）觀剪切速率範圍即澆口可（kě）求出（chū）澆（jiāo）口截麵尺寸（cùn）的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由於注（zhù）射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定（dìng），因此，根據表觀剪切速率範圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸（cùn）的（de）範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了（le）某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時（shí），則澆口入口處的壓（yā）力p1,保持（chí）不變，如果改短澆口（kǒu）長度（dù）L,這就使熔體（tǐ）流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間的壓力降減小，熔體在（zài）澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到（dào）注（zhù）射螺杆上，螺（luó）杆向前（qián）推進的速度加（jiā）快（kuài），也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵（miàn）的（de）情（qíng）況下，就能（néng）提高（gāo）注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即（jí）注射速度提高（gāo），熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於（yú）非牛頓流體的表觀黏（nián）度（dù）與剪切速率有關。又短澆（jiāo）口可（kě）以不（bú）被固（gù）封，可保持常（cháng）開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取（qǔ）值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大（dà）澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔（róng）體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏（nián）度相應增高。所以，澆口截麵（miàn）的增（zēng）大有個極限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非越大越好（hǎo）。相反，點澆口之所以成功，是因為（wéi）絕大多（duō）數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快（kuài），即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀（guān）黏（nián）度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠（chǎng） 采用小（xiǎo）澆口意味（wèi）著斷麵很（hěn）小，即R很（hěn）小（xiǎo），熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很（hěn）低。另外，由於熔體高速（sù）流經小澆（jiāo）口（kǒu），部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度（dù），也有利於降低（dī）熔體（tǐ）的表觀黏度（dù）。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏（nián）度失去了依存關係，稱為失（shī）去了“剪切速（sù）率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵（miàn）就是點（diǎn）澆口的極限尺寸。對多（duō）數塑料來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的（de）剪切速率 因為大多數塑料（liào）熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切（qiē）速率的函數式可用式表示。即n.與y是指（zhǐ）數函數（shù）關係，不是線型關係。如果剪切速率再（zài）高，表觀黏度值降低還（hái）要少。所以，東莞市馬馳科（kē）注塑加工廠要在曲（qǔ）線上選擇一（yī）段剪切速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗（pō）為重要（yào）的。一般來（lái）說，剪切（qiē）速率取（qǔ）高值，黏度影響小。而（ér）且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所（suǒ）難以達到的（de）。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統（tǒng）尺寸（cùn）以便（biàn）將流量傳（chuán）送至澆（jiāo）口外（wài），降低塑料熔體的表觀黏度（dù）也是一個有效的辦法。降低黏度的一（yī）種辦法是升高溫度，然而（ér）溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降（jiàng）解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的（de）另一（yī）種辦法是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物（wù）的（de）降解或燒焦以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製（zhì）。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大（dà）切應力或兩者兼（jiān）備。

(二)流體在充模（mó）過程（chéng）中的狀態

注射成型（xíng）的第皿區段是聚合物熔體經澆口射入模具型（xíng）腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為（wéi）非（fēi）等溫流動。由（yóu）於這一注塑加（jiā）工過程（chéng）的分析（xī）過於複雜，在這裏不作進一步（bù）的闡述（shù）。

標題：聚合物在成（chéng）型過程中的流動狀態 網址：http://www.snshentu.com/news/show/id/1652.html

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