一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

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）種幾何形狀導管內流（liú）動的情況。如在（zài）注射過程中，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（gōng）成型中，熔體被螺杆擠進各種口（kǒu）模。研究熔（róng）體在流動過程中的流量與（yǔ）壓力降的（de）關係、切（qiē）應力與（yǔ）剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應（yīng）等都是十分重要的（de），因為這對控製成型注塑加工工藝（yì）、塑件產量和（hé）質量、設計（jì）成型（xíng）設備（bèi）和模（mó）具都有直接關係。由於非牛頓流體流變（biàn）行為的複（fù）雜性，目前隻（zhī）能（néng）對幾種簡單（dān）截麵導管內（nèi）的流動作定量的計算。

(一)在圓形導（dǎo）管內（nèi）的流（liú）動

為（wéi）了研究聚合物熔體在圓（yuán）形導管內（nèi）的流動狀況，假（jiǎ）設其流體是在（zài）半徑為R的圓形導管（guǎn）內作等溫穩定（dìng）的層流運動，且服從指數定律。取距（jù）離（lí） T 為r處的流體圓柱體單元，其長（zhǎng）度為L,當它 ≈ 由左（zuǒ）向右移動（dòng）時，在（zài）流體層（céng）間產生摩擦力，於是，其（qí）中壓力（lì）降Δp與圓柱（zhù）體截麵的乘積必等於切（qiē）應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據（jù）此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內（nèi）的（de）速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛（niú）頓黏性流體，由於其剪（jiǎn）切速率隻依賴於所施加的切（qiē）應力，所以，可用下（xià）麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中（zhōng）n=1時的特例，此時（shí）牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、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（shì）沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個（gè）稠度和流動行為指數，也稱表（biǎo）觀稠度與表（biǎo）觀流（liú）動行為指數（shù）。

(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（céng）流（liú）運（yùn）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（wéi）無限寬平行麵(扁槽寬度（dù）W應大於（yú）扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不計)，根（gēn）據力的平衡，得也（yě）就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所（suǒ）述，在推導流體在各種截（jié）麵流道（dào）內流動的流動方程式時，不論牛（niú）頓流體或非牛頓（dùn）流體，都假定流動屬穩定流（liú）動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁逐漸增大，而（ér）在管壁（bì）處為。因而，流體在導管內的速（sù）度分布為零，向管壁逐漸減（jiǎn）少，而（ér）在管壁處為 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（bú）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。隻有貼近管壁極薄一層液層處（chù），其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀（zhuàng）態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比（bǐ）用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形（xíng）和速度調整消耗一部分的結（jié）果。

這種入口損耗曾有人設想為（wéi）相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一段導（dǎo）管長度並不存在，因（yīn）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（bàn）徑的6倍，在此區（qū）域內，料流已經（jīng）不受導管約束，料流各點（diǎn）速度在此重新調整為（wéi）相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼（jì）收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直（zhí）徑還要大。當流（liú）出速度（dù）恒定時，導管越短，膨脹（zhàng）越嚴重，可達一（yī）倍之多。除上述入口（kǒu）與出口端末效應（yīng）外（wài），還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物（wù）表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出（chū）物越（yuè）粗糙，甚至不能成（chéng）流，很（hěn）快斷裂，這種現象稱為“熔體（tǐ）破碎（suì）”。在擠出注塑加工成型中往往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）體在穩定流動時的（de）速度分布，對於符合指數函數（shù）方（fāng）程式的非（fēi）牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成（chéng）型中（zhōng）的流動（dòng）狀態分析

注射成型中的流動過程（chéng），可（kě）以分成三個區段。第I區段（duàn）是（shì）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（hǎo）的熔體儲存在料筒的（de）端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通（tōng）過噴嘴、模具的（de）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，截麵一般具有簡單的幾（jǐ）何形狀。注射過程中塑料熔（róng）體流動的三個區段（duàn）流體基本（běn）上不（bú）發生物理（lǐ）、化學變化。第II區段是塑料熔（róng）體經澆口射（shè）入型（xíng）腔過程中的流動、相（xiàng）變及固（gù）化。這一區段完全在（zài）模具內完成，過（guò）程非常複雜，涉及（jí）三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中（zhōng）的狀態（tài）

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主（zhǔ）流道、分流道和澆口的溫度隨時（shí）間而變（biàn）化（huà），溫度場不穩定。盡管如（rú）此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料（liào）熔體流經澆口時狀態（tài）的（de）分（fèn）析（xī）。

注射成型的基本要求是根據型腔體（tǐ）積將足量的塑（sù）料熔體以較快的速度注入型腔，再（zài）配合其他各種條件，效率地生產出（chū）外觀和內（nèi）部質量均好（hǎo）的注射塑（sù）件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積（jī）選定（dìng），注射速率為已知值，也即理想（xiǎng）的qv值已（yǐ）確（què）定，因此，根據表觀剪切速率範（fàn）圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範（fàn）圍。由於注射機的規格已根據塑（sù）件體積選定，注射速率為已（yǐ）知值，也即（jí）理想的qv值已確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆口截麵尺寸的（de）範圍。但是（shì）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。下麵分別進行分析。

(1)澆（jiāo）口長度L 當注射壓力保持恒定時，則（zé）澆口入（rù）口處的壓力（lì）p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流（liú）經澆口的阻力減小（xiǎo），也就使澆口入口與出口（kǒu）之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增（zēng）大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速（sù）度加快，所以（yǐ），縮短澆口長度，在不（bú）增大澆口斷麵的情況下，就能（néng）提高注射速（sù）率。同時，由於熔體在澆口中的流速提（tí）高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀（guān）黏度與剪切速率有關。又短澆口（kǒu）可以不被固封，可（kě）保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷（duàn）麵尺寸 增大澆口斷（duàn）麵有（yǒu）利（lì）於（yú）qv值的增大，qv值（zhí）隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆（jiāo）口截麵增大了（le），熔體在澆口（kǒu）中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高（gāo）。所以，澆口（kǒu）截（jié）麵的增大有個極限值（zhí），這是大（dà）澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏（nián）度的增大，反而使qv值（zhí）減小。所以（yǐ），澆口斷麵尺寸並非越大（dà）越好。相反，點澆口之所以成功，是因為（wéi）絕（jué）大多數塑（sù）料熔體（tǐ）的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體（tǐ）流速越快，即qv越大，它的剪切（qiē）速（sù）率越大，因而表（biǎo）觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑（sù）加（jiā）工廠 采用小澆（jiāo）口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆（jiāo）口時流速極大，剪切（qiē）速率（lǜ）相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了（le）澆口（kǒu）處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速（sù）率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失去了“剪切（qiē）速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極（jí）限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料（liào）熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑性（xìng）流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指（zhǐ）數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率（lǜ）再高，表觀黏度值降低（dī）還要少。所以，東莞市馬（mǎ）馳科注塑（sù）加工廠要（yào）在曲線上選擇一段剪切（qiē）速率，使它對黏（nián）度的影響有利於注射，這是頗為重（chóng）要的。一般來說，剪切（qiē）速率取高值，黏度影響（xiǎng）小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達（dá）到的。

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

(二)流體在（zài）充模過程中的狀態

注（zhù）射成型的第皿區段是聚合（hé）物熔體經澆口射入（rù）模具型腔的過程（chéng），即充模過（guò）程。這是一個複雜的過（guò）程，一般為（wéi）非等溫流動。由於這一注塑（sù）加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。

標題：聚合物在成型過程中的流（liú）動狀（zhuàng）態 網址：http://www.mb404.com/news/show/id/1652.html

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