一、聚合物熔體在簡單截麵導管（guǎn）內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各（gè）種幾何（hé）形狀導管（guǎn）內流動（dòng）的情況。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（tǐ）在流動過程中的流（liú）量與壓力降的（de）關係、切應力與剪切（qiē）速率的關係、物料流速分布、端末（mò）效應（yīng）等都（dōu）是十分重要的，因為這對（duì）控製成型注塑加工（gōng）工藝、塑件產（chǎn）量和質（zhì）量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為（wéi）的複雜性，目前（qián）隻能對幾種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（liú）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（jìng）為R的圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服（fú）從指（zhǐ）數定律。取距離 T 為（wéi）r處的流體圓柱（zhù）體單（dān）元（yuán），其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間（jiān）產生摩擦力，於是，其中壓（yā）力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘（chéng）積（jī），圓形導管中（zhōng）流動液體受力分析。由此看（kàn）出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度（dù）分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體（tǐ），由於其剪切速率隻依（yī）賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律（lǜ）可以看為指數方（fāng）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（yīng）的流速、體積（jī）流量及（jí）管壁處剪切速率的計算公式。線（xiàn）幾何（hé）形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和（hé）n可相（xiàng）應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠（chóu）度與（yǔ）表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

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

(三)端（duān）末效應與速度（dù）分布（bù）

如前所述，在（zài）推導流體（tǐ）在各種截麵（miàn）流道內流動的（de）流動方（fāng）程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為（wéi）零，向管壁（bì）逐漸增大，而（ér）在管壁（bì）處為。因而，流體（tǐ）在導管內的速度分布為零（líng），向管壁逐漸減少（shǎo），而在管壁處為 零。對牛頓流體來說（shuō），這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大（dà）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（dà）小和（hé）方（fāng）向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零（líng），流體在（zài）進入導管（guǎn）後須經一定（dìng）距離，穩定狀態方能形成，實驗測定（dìng），流體在此段內的壓力降總是比（bǐ）用（yòng）式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域內產生（shēng）彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起（qǐ）的損耗，事實上這（zhè）一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨（suí）具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般（bān）約為導管半徑的6倍，在此區域內，料（liào）流已（yǐ）經不受導（dǎo）管約束，料流各點速度在（zài）此重新調整為（wéi）相等的速（sù）度。

另外，在出口區，假（jiǎ）塑性（xìng）流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹（zhàng）至比導管直（zhí）徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越（yuè）嚴重，可達（dá）一倍之多。除（chú）上述入口與（yǔ）出（chū）口端末效應外，還有一種現象，即當（dāng）剪切速率高達一（yī）定值（zhí）時，流出物表麵呈粗糙狀，剪（jiǎn）切速率（lǜ）越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很（hěn）快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往采用改進成型口模（mó）和將流量控製在一定範（fàn）圍內來（lái）解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分（fèn）布，對於符合指數函數方程（chéng）式的非牛頓流體和牛頓（dùn）流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成型中的（de）流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸送、壓（yā）縮（suō）、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端（duān）部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡（jiǎn）單的幾何形（xíng）狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段流體基本上不（bú）發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中（zhōng）的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完（wán）成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷（qiān）移理論、不穩定導熱（rè）等方麵的知識。

(一)流體在流道中的（de）狀態

注射成型中，流體（tǐ）在第II區段的流動要經過多種截麵（miàn）形狀的流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的（de）主流道、分流道和（hé）澆（jiāo）口的溫度隨時間而變化，溫度場（chǎng）不穩定。盡管如此（cǐ），仍（réng）可對其分別加以分析。這裏，重（chóng）要的是對塑料熔體（tǐ）流經澆口時狀態的分析。

注射成型的（de）基（jī）本要求（qiú）是根據型腔體積將足量的塑（sù）料熔體以較快（kuài）的速度注入型腔，再配合（hé）其他各（gè）種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗（yàn），由於注射機的規格已根（gēn）據塑件體積選（xuǎn）定，注射速率為（wéi）已知值，也即理想的（de）qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可（kě）求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。也（yě）即求出R 的範圍（wéi）和（hé）寬厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分（fèn）析（xī）。

(1)澆口長（zhǎng）度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入（rù）口（kǒu）處的壓力p1,保持不（bú）變，如果改短澆口長（zhǎng）度L,這就（jiù）使熔體流經澆口（kǒu）的（de）阻力減小，也就使（shǐ）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（le）q,值。反映到注射螺（luó）杆上，螺杆向前推（tuī）進的速度加快，也（yě）即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵（miàn）的情況（kuàng）下，就能提高注射速（sù）率。同時，由於（yú）熔體在澆口中的流速（sù）提高，也即注射速度提高（gāo），熔體的表觀黏度也相應（yīng）降低，這是由於（yú）非牛頓（dùn）流（liú）體的表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固（gù）封，可保持（chí）常（cháng）開。由於以上理由，設計澆（jiāo）口長（zhǎng）度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有（yǒu）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（dà）了，熔體在澆口中的（de）流速減慢，熔體的表觀（guān）黏度相應增（zēng）高。所以（yǐ），澆口（kǒu）截麵的增大有（yǒu）個極限值，這是大澆（jiāo）口的上限。超過此值時，再增（zēng）大截（jié）麵，由於表觀黏度的（de）增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越（yuè）好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越（yuè）小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工（gōng）廠 采用（yòng）小澆口意味著斷麵很小（xiǎo），即R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時流速極大，剪（jiǎn）切速率相應也極大，表（biǎo）觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經（jīng）小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也（yě）有利（lì）於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極（jí）限值時，剪切速率與表觀黏度失去了依（yī）存關係，稱為失去（qù）了（le）“剪切速率（lǜ）效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的（de）塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於（yú）非牛頓假塑性流體，其表觀黏度（dù）與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切（qiē）速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇（zé）一段剪切速（sù）率，使（shǐ）它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率（lǜ）取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難（nán）以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不（bú）滿時，除增大注射量和注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度（dù）的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合（hé）物的（de）降解溫度，而且溫度提高將會增加（jiā）塑（sù）件在模內（nèi）的冷卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切速（sù）率，提高剪切速率也要受（shòu）到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助（zhù）於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增（zēng）大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態（tài）

注射成型（xíng）的第（dì）皿區段是聚合物熔體經澆（jiāo）口射入模具型腔的過程，即充模過程（chéng）。這（zhè）是一個複雜的過程，一般為非（fēi）等（děng）溫流動。由於這一注塑加工（gōng）過程的分析過（guò）於複雜，在這裏不作進一步的闡述。

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

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