一、聚合物熔體在簡單截麵導（dǎo）管內的流動

在（zài）塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種（zhǒng）幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係統注（zhù）入型腔內;在擠出注塑加工成（chéng）型（xíng）中，熔（róng）體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流（liú）動過程中（zhōng）的（de）流（liú）量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應等都是十分重要的，因為這對（duì）控（kòng）製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成（chéng）型設（shè）備（bèi）和模具都有直接（jiē）關係（xì）。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻（zhī）能對幾種簡單截麵導管（guǎn）內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為（wéi）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（lí） T 為r處的流體（tǐ）圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移（yí）動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓（yuán）柱體（tǐ）截麵的乘積必等於（yú）切應力т與流體層間接觸麵（miàn）積的（de）乘積，圓形導管（guǎn）中流動液體受力分析。由此看出，切應力為零（líng），逐（zhú）漸增大（dà）而在（zài）管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明（míng）流體在圓（yuán）形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流（liú）體，由於其剪切速（sù）率隻依賴於（yú）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（liú）體，由於牛頓黏性定律可以看為指數方程（chéng）式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也（yě）可得出相應的流速、體積流量及管壁（bì）處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿（yán） 軸作上下平行（háng）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（yě）稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽（cáo）內的流動（dòng）

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動（dòng）時。在扁形導槽內（nèi）取一矩形（xíng）單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定（dìng）扁（biǎn）槽（cáo）上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大（dà）於扁槽上下 平行（háng）麵（miàn）距離2B的20倍，此時扁槽兩（liǎng）側壁對流速 的減緩作用（yòng）可忽略不計)，根（gēn）據力的平衡，得（dé）也就成為牛（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（chéng）為黏度n.

(三)端（duān）末效應與速度分（fèn）布

如前所述（shù），在推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體（tǐ）或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減（jiǎn）少，而在管壁處（chù）為 零。對牛頓流體來（lái）說，這（zhè）種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管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隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線（xiàn）。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）進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內（nèi）的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合（hé）物熔體在（zài）此區域（yù）內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種（zhǒng）入口損（sǔn）耗曾有人（rén）設想為相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一段導管（guǎn）長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內（nèi），料流已（yǐ）經不受導管（guǎn）約束，料流各點速（sù）度在此重新調整為相等的（de）速度。

另外（wài），在出口區（qū），假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑（jìng）還要大。當流（liú）出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入（rù）口與出口（kǒu）端末（mò）效（xiào）應外，還有一（yī）種（zhǒng）現象，即當（dāng）剪切速率高達一定值時，流（liú）出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗（cū）糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱（chēng）為“熔體（tǐ）破碎”。在擠出注（zhù）塑加工成型中往往（wǎng）采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流（liú）體在穩定流（liú）動時（shí）的（de）速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分（fèn）析（xī）

注射成型中的流動（dòng）過程，可（kě）以分成三（sān）個區（qū）段。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒（tǒng）之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲（chǔ）存在料筒的端部。第II區段是儲存在料（liào）筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推（tuī）壓通過噴嘴、模具（jù）的主流道、分（fèn）流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各（gè）段流道長徑（jìng）比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中（zhōng）塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生（shēng）物（wù）理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中的流動（dòng）、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複（fù）雜，涉（shè）及三維流（liú）動（dòng）、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀（zhuàng）態

注射成型中（zhōng），流體在第II區段的流動要經過多種截麵（miàn）形狀的流道，這裏阻（zǔ）力變化複雜，壓力損（sǔn）失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的（de）溫度隨時間而（ér）變（biàn）化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料（liào）熔體流經澆口時狀（zhuàng）態的（de）分析。

注射成型（xíng）的基本要求是根據型腔體（tǐ）積將足量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件，效率地（dì）生產出（chū）外觀和內部質量（liàng）均好的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗，由於（yú）注射機的規格已根據塑件體積（jī）選定，注射速率為已知值，也即理想的（de）qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即（jí）求出R 的範圍和寬厚積（jī）Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件（jiàn）體積選定（dìng），注射速率（lǜ）為已知值，也（yě）即理（lǐ）想的qv值（zhí）已確定，因（yīn）此（cǐ），根據表觀剪切速率範圍即澆口可（kě）求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範圍。但（dàn）是它們之間不是孤立的，而是（shì）相互有影響的，改變了某一（yī）個（gè）參數，其（qí）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（bǎo）持（chí）恒定時，則澆口（kǒu）入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長（zhǎng）度L,這就使熔體流經（jīng）澆口的阻力減小，也就使澆口（kǒu）入口與出口（kǒu）之間的壓力降減小，熔體在澆口中（zhōng）的流速增（zēng）大，這就增（zēng）大了q,值。反映到注（zhù）射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長（zhǎng）度，在不增大澆口斷（duàn）麵的情況下，就能提高注射速（sù）率。同時，由於熔（róng）體在（zài）澆口中的流速提高，也（yě）即注射（shè）速度提高，熔體的表觀（guān）黏度也相應（yīng）降（jiàng）低（dī），這是由於非牛頓（dùn）流體的表觀黏度與剪切（qiē）速率有（yǒu）關。又短澆口可以不被固封，可保（bǎo）持常開。由於以上理由，設計（jì）澆口長度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，澆口截麵增大了，熔體在澆口（kǒu）中的（de）流速（sù）減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以（yǐ），澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的（de）上限。超過此值時，再增大截麵，由於（yú）表觀黏度的增（zēng）大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是（shì）因為絕大多數塑料熔體（tǐ）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（de）剪切速率越大，因而表觀黏度越小（xiǎo），越（yuè）容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意（yì）味著斷麵很（hěn）小，即R很小，熔體流經小澆口時流（liú）速極大（dà），剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由（yóu）於（yú）熔體高速流經小澆口，部分（fèn）轉變（biàn）為熱能，遂提高了澆口（kǒu）處的局部溫度，也（yě）有利於降低熔體的表觀黏（nián）度。但（dàn）是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了（le）依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不（bú）再（zài）降低。此時澆口的斷麵就是點澆（jiāo）口的極限尺（chǐ）寸。對多數塑料來說，點澆口（kǒu）的（de）直徑不大於 1.5mm,對較黏（nián）的塑料。

(3)選擇（zé）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，其表觀黏度與剪切（qiē）速率的函數式可用（yòng）式表示（shì）。即n.與y是指數函（hán）數關係，不是線型關係。如果剪切速率（lǜ）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一段剪切速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的（de）。一般來（lái）說，剪（jiǎn）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（suǒ）難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具（jù）充不滿時，除增（zēng）大注射量和注射（shè）速度，加大流道係統尺（chǐ）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（yī）個有效的辦法。降低黏度的一種辦（bàn）法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度（dù）提高將會增加塑件在模內的冷（lěng）卻時間。降低黏度的另一種（zhǒng）辦法（fǎ）是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限（xiàn）製（zhì）。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力（lì），也即（jí）增（zēng）大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程（chéng）中的狀態

注射成型的第（dì）皿區段是聚合（hé）物熔體經澆口射入模具型（xíng）腔的過程，即充（chōng）模過程。這是一個複雜的過程（chéng），一般為（wéi）非等溫流動。由於（yú）這一注塑加工過程的分析過於複雜（zá），在這裏不（bú）作進一步的闡述。

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

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