一、聚合物熔體在簡單（dān）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（wù）熔體在各種幾何形狀導（dǎo）管內流動的情（qíng）況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注（zhù）係統注（zhù）入型腔內;在（zài）擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研（yán）究熔體在流動過程中的（de）流量與壓力（lì）降（jiàng）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（děng）都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和（hé）質量、設計成型設（shè）備和模具都有直接關係。由（yóu）於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能（néng）對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算（suàn）。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚（jù）合物熔體在圓形導（dǎo）管（guǎn）內的流動狀況，假設其流體（tǐ）是在半徑為R的（de）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（chù）的流體圓柱體（tǐ）單元，其長度（dù）為L,當它 ≈ 由（yóu）左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與（yǔ）圓柱體截（jié）麵的乘積必等於切應力т與流體（tǐ）層間（jiān）接觸麵積的乘積，圓形導管中流動（dòng）液體受力（lì）分析。由此（cǐ）看出，切應力為零（líng），逐（zhú）漸增大而在管壁處為，據此進一步推導（dǎo）的結果，又可說明流體在圓（yuán）形導管內的速度分布為（wéi）什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性（xìng）流體，由於其（qí）剪（jiǎn）切速率隻依（yī）賴於所施加的切（qiē）應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對（duì）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n=1時（shí）的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相（xiàng）應的流速、體積流量及管壁處（chù）剪切速率的計算（suàn）公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動（dòng）而已（yǐ），因而K'和n可相應視作另一個稠度和（hé）流動行為指數，也稱（chēng）表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的（de）流動

當塑料熔體在等（děng）溫條（tiáo）件下經扁形導槽作穩定層（céng）流運動時（shí）。在扁形導槽內取一矩形單元體（tǐ），其厚度為2y,寬度取（qǔ）1個單位長度，長度為L.假定扁槽（cáo）上下兩麵為無限（xiàn）寬平行麵(扁槽寬度（dù）W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的（de）20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據（jù）力的平衡，得也就成為牛頓（dùn）流體的流動行為（wéi），即為牛（niú）頓黏性定律（lǜ）方程式，此處K就成為黏度（dù）n.

(三)端末效應與速度分（fèn）布

如前所（suǒ）述，在推導流體在各種截麵流道（dào）內流（liú）動的流動方程式時，不（bú）論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流（liú）動屬穩定流（liú）動狀態，切應力為零，向管壁逐漸（jiàn）增大，而（ér）在管壁處為。因而，流體在導管內（nèi）的速度（dù）分布為（wéi）零，向管壁逐（zhú）漸（jiàn）減少，而在管壁處為 零。對牛（niú）頓流體（tǐ）來（lái）說（shuō），這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流（liú）體由（yóu）儲槽、大管進入（rù）導管內時就不屬於穩定流動，流 體（tǐ）各質點的（de）運（yùn）動速度在大小和方向上都隨時發生（shēng）變化，因而（ér）其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層液層處，其速度驟降（jiàng），至管壁處為零，流體在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（tǐ）在此段內的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域內（nèi）產生彈（dàn）性變形和速（sù）度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設（shè）想為相當於一段導管所引起的（de）損耗，事（shì）實上這一段導管長度並不存在，因而（ér）稱為“虛構長度”或（huò）“當（dāng）量長度”。當量長度的長短隨具體條件（jiàn）而改變，實驗證明，聚合物（wù）熔體的當量長（zhǎng）度一般約為導（dǎo）管半徑的6倍（bèi），在此區域（yù）內，料流已經不受導管約束，料流各點速度在此重（chóng）新調整（zhěng）為相等的速度。

另外，在出口區，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（guǎn）直（zhí）徑（jìng）還要大。當（dāng）流出速度（dù）恒定（dìng）時（shí），導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之（zhī）多。除（chú）上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當（dāng）剪切（qiē）速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙（cāo）狀，剪切速率越大（dà），流（liú）出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔（róng）體破（pò）碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進（jìn）成型口模和（hé）將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體（tǐ）在穩定（dìng）流（liú）動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的（de）非（fēi）牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成型中的（de）流（liú）動過程，可以分成三個區段（duàn）。第（dì）I區段（duàn）是塑料（liào）物料在注射（shè）機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑（sù）化好的熔體儲存在料筒（tǒng）的端部。第II區段是儲存（cún）在料筒端部的塑料熔（róng）體受螺杆的（de）向前推壓通過噴嘴（zuǐ）、模具的主流道、分流（liú）道和澆口，開始射入型腔（qiāng）內。這一區段的特點是各段流（liú）道長（zhǎng）徑比較大，截麵一般具有（yǒu）簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區（qū）段流體基（jī）本上不發生物理（lǐ）、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（dòng）、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相（xiàng）遷移理（lǐ）論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一（yī）)流體（tǐ）在（zài）流道中的狀態

注射（shè）成型中，流體在第II區段的（de）流動要經過多（duō）種（zhǒng）截（jié）麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具（jù）中的主流道、分流道（dào）和澆口的（de）溫度隨時間而變化，溫度場不穩定（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分（fèn）析。這裏，重要的是（shì）對塑（sù）料熔體流經（jīng）澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要求是根據型（xíng）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，效率地生產出外觀和內部質量均好的注（zhù）射塑件。根（gēn）據（jù）實踐經驗（yàn），由於注（zhù）射機的規格已（yǐ）根據塑件體積選定（dìng），注射速率為已知值，也（yě）即理想的qv值（zhí）已確定，因（yīn）此（cǐ），根（gēn）據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可求出澆口截（jié）麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積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（yě）即理想的qv值已（yǐ）確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆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，改變了某一個參數，其他參數（shù）也隨之（zhī）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，則澆口（kǒu）入口處的（de）壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體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（xiǎo），熔體（tǐ）在（zài）澆口中的流速增大（dà），這（zhè）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，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射（shè）速率。同時，由於熔體在澆（jiāo）口（kǒu）中的流速提高，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黏度與剪切速率有關。又短澆口可（kě）以（yǐ）不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成（chéng）比例增長（zhǎng）。但是，澆（jiāo）口截麵增大了，熔（róng）體在澆口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度相應（yīng）增高。所以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值，這是大（dà）澆口（kǒu）的（de）上限。超（chāo）過此值時，再增大（dà）截麵，由於表觀黏度的增（zēng）大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越（yuè）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，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市（shì）馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很（hěn）小，即R很小，熔體流經小（xiǎo）澆口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀（guān）黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆（jiāo）口，部分（fèn）轉（zhuǎn）變為熱（rè）能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切（qiē）速（sù）率提高到極限值時，剪切速率（lǜ）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（nián）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，點澆口（kǒu）的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切（qiē）速率 因為大多數塑料熔體都屬於（yú）非牛頓（dùn）假塑性（xìng）流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用（yòng）式表示。即n.與y是指數函（hán）數關係（xì），不是線型關係。如果剪切速（sù）率再高，表觀黏（nián）度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線（xiàn）上（shàng）選擇一段剪切速率，使它對黏度的（de）影響（xiǎng）有利於注射，這是頗為重要的。一（yī）般（bān）來說，剪切速率取高值（zhí），黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度（dù） 當模具充不滿時，除（chú）增大（dà）注射量和注（zhù）射速度，加大流道係統（tǒng）尺寸以（yǐ）便將流量傳送至澆口外（wài），降低塑（sù）料熔（róng）體的表觀黏（nián）度也是一（yī）個有效（xiào）的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定（dìng）限製，不能高（gāo）於聚合物的降解溫度，而且溫度（dù）提高將會增加（jiā）塑件在模內的冷卻時間。降（jiàng）低黏度的另（lìng）一種辦法是（shì）提高剪（jiǎn）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（kě）能性的限製。提高剪（jiǎn）切速率可借（jiè）助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中（zhōng）的狀態（tài）

注射成型（xíng）的（de）第皿區段是聚合物熔體經澆口射入（rù）模具型腔的過（guò）程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一（yī）般（bān）為非等溫流動。由於這一注（zhù）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（xíng）過程中的流動狀態 網址：http://www.chgwy.cn/news/show/id/1652.html

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