一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中（zhōng），經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情（qíng）況。如在注射過程中，熔體（tǐ）被柱塞推動前進（jìn），從噴嘴經澆注（zhù）係統注入型腔內;在擠出注塑（sù）加（jiā）工成型中，熔體被螺（luó）杆擠（jǐ）進各種口模。研究熔體在流動（dòng）過程中的流量與壓力降（jiàng）的關係、切應（yīng）力與剪切速（sù）率的關係、物料流速（sù）分布、端末效應等都是十分（fèn）重要（yào）的，因為這對控製（zhì）成型（xíng）注塑加工工藝、塑（sù）件產量和質量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓（dùn）流體流（liú）變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量（liàng）的計算。

(一)在圓形導管內的流（liú）動（dòng）

為了研究聚合物（wù）熔體在圓形導管內的流（liú）動狀（zhuàng）況，假設其（qí）流體（tǐ）是在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的（de）層流運動，且服從指（zhǐ）數定律。取距離 T 為（wéi）r處的流體圓柱體單元，其（qí）長度為L,當它 ≈ 由左向（xiàng）右移動時，在流體層間產生（shēng）摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必（bì）等於切應力т與流體層間接觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流動液體（tǐ）受力分析。由此（cǐ）看出，切（qiē）應力為零，逐（zhú）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（zài）圓形導管內的速度分（fèn）布為什麽呈拋物（wù）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，由於牛頓黏性定律可（kě）以看為指數方程式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速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可（kě）相應視作另一個稠度和（hé）流動行為（wéi）指數，也稱表觀稠度與表觀流動（dòng）行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體（tǐ）在等溫條件下經扁形導槽作穩定層（céng）流運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度（dù）為L.假（jiǎ）定扁槽上下兩麵（miàn）為無（wú）限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此（cǐ）時扁槽兩側壁對流速 的減緩（huǎn）作用可（kě）忽（hū）略不計)，根（gēn）據力的（de）平衡，得也就成（chéng）為牛頓流體的（de）流（liú）動行為（wéi），即為牛頓黏性定律方（fāng）程式，此（cǐ）處K就（jiù）成為黏度n.

(三)端（duān）末效（xiào）應與速度分布

如前所述，在推導流體在各種截麵流（liú）道內流動的（de）流（liú）動方程式時，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（qiē）應力為零，向管壁逐漸（jiàn）增大，而在管壁（bì）處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸（jiàn）減少，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（xíng）;但是，當流體由儲槽、大管進入導（dǎo）管內時就不（bú）屬於穩定流（liú）動，流 體各質點的運動（dòng）速（sù）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（guǎn）壁極薄（báo）一層液層處，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，穩定狀態方能形成，實（shí）驗測定，流體在此段內的壓力（lì）降總是比（bǐ）用式算（suàn）出的大。這是因（yīn）為聚合物（wù）熔體（tǐ）在此區域（yù）內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口（kǒu）損耗曾有人設想為（wéi）相當於一段導管所引起的（de）損耗，事實上這一段導（dǎo）管長度並不存在，因而稱為“虛構長（zhǎng）度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗（yàn）證（zhèng）明，聚合物熔體（tǐ）的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束（shù），料流各點速（sù）度在此重新調整（zhěng）為相等的速度。

另外（wài），在出口區，假塑性流體繼收（shōu）縮之後由於彈性恢複又出現膨（péng）脹，而且脹至比導（dǎo）管直徑還（hái）要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達（dá）一倍之多（duō）。除上述入口與出（chū）口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高（gāo）達一定值時（shí），流出物表（biǎo）麵（miàn）呈粗糙狀，剪切速（sù）率越大，流出物越粗糙，甚至不（bú）能成流（liú），很快斷裂，這種現象稱為“熔體（tǐ）破碎”。在（zài）擠出注塑（sù）加工成（chéng）型中往往采用改進（jìn）成型口模和將流量控製在一（yī）定範圍內來解決。為了分析流（liú）體在穩（wěn）定流動（dòng）時的速度分布，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（zhōng）的流動狀態分析

注射成型中的（de）流動（dòng）過程，可（kě）以分成三個區段。第I區段是塑料物（wù）料在注射機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間（jiān）進行輸送、壓縮、熔融塑（sù）化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的（de）端部（bù）。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受（shòu）螺（luó）杆的向前推壓通過（guò）噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區（qū）段（duàn）的特（tè）點是各段流道長徑比較（jiào）大，截麵一（yī）般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區（qū）段流體基本上不發生（shēng）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的流動、相變（biàn）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（liú）動、相遷（qiān）移理（lǐ）論、不穩定導熱等方（fāng）麵的知識。

(一)流（liú）體（tǐ）在流道中的狀態

注射成型中，流體在第（dì）II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏（lǐ）阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道（dào）和澆口的溫（wēn）度隨時間而變化（huà），溫度場不穩定。盡管如此（cǐ），仍可對其分別加以（yǐ）分析。這裏，重要的是（shì）對塑料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是根據（jù）型腔體積將（jiāng）足量的塑料（liào）熔體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件，效（xiào）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，由於注射機的規（guī）格已（yǐ）根據塑（sù）件體積選定，注射速率為已知值，也即理想（xiǎng）的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵（miàn）尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積（jī）Wh的範圍。由於注射機的規格已根（gēn）據塑件體積選（xuǎn）定（dìng），注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀（guān）剪切速率範（fàn）圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵（miàn）尺寸的範圍。但是它們之間（jiān）不是孤立的，而是相互有影響的，改（gǎi）變了某一個參數，其他參（cān）數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度（dù）L 當注射壓力保持恒（héng）定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口（kǒu）長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就（jiù）使澆口入口與（yǔ）出口之間的壓力降（jiàng）減（jiǎn）小，熔體在澆口中的流速增大，這就增（zēng）大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前（qián）推進的速度加快，也即注（zhù）射速度（dù）加快，所以，縮（suō）短澆口長度，在不增大澆口斷麵（miàn）的情況下，就能提高注射速（sù）率。同（tóng）時，由於熔體在澆口中的流速提高，也（yě）即注射速度提（tí）高，熔體的表（biǎo）觀黏度也相應降低（dī），這是由於非（fēi）牛頓流體的表觀黏度（dù）與（yǔ）剪切速率有關。又（yòu）短澆口可以（yǐ）不被固封（fēng），可（kě）保持常開。由於以上理由，設計澆口（kǒu）長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺（chǐ）寸 增大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或（huò）Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在（zài）澆（jiāo）口中的（de）流速減慢，熔體的（de）表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值（zhí），這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大（dà），反而使qv值減小。所以（yǐ），澆口斷麵（miàn）尺寸並非越大越好。相反，點（diǎn）澆口之所以成功，是因為絕（jué）大多（duō）數塑料熔體的（de）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（jiǎn）切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞（wǎn）市馬馳科注（zhù）塑加工廠 采用小澆口意味（wèi）著斷麵很小，即R很（hěn）小，熔體流經小澆（jiāo）口時（shí）流速極（jí）大，剪切速率（lǜ）相（xiàng）應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔（róng）體高速流（liú）經小澆口，部分轉變為熱能，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，當剪切速率（lǜ）提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失（shī）去了依存關（guān）係，稱為失去了“剪（jiǎn）切速（sù）率效應（yīng）”。超過此（cǐ）極限值時（shí），剪切速（sù）率再增加（jiā），表觀黏度（dù）不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口（kǒu）的極（jí）限尺寸。對多數塑料（liào）來說，點澆口的直徑（jìng）不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都（dōu）屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度（dù）與剪切速率的函（hán）數式可用式表示。即n.與y是指數函數關（guān）係（xì），不（bú）是線型關係。如果（guǒ）剪切（qiē）速率再高，表觀黏度值降低（dī）還要少。所以，東（dōng）莞市馬馳科注塑加工廠要在（zài）曲線上選擇一（yī）段剪（jiǎn）切速率，使它對黏度（dù）的影響有利於注（zhù）射，這（zhè）是（shì）頗為重要的（de）。一般（bān）來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是（shì）大尺寸澆口的（de）模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大（dà）注射量和注射速度，加大流道係統尺寸（cùn）以（yǐ）便將流量傳送至澆口外，降（jiàng）低塑料熔體的表觀黏度（dù）也是一（yī）個有效的辦法（fǎ）。降低黏度的（de）一種（zhǒng）辦法是升高溫度，然而溫度的（de）升高也有一定限製，不能高（gāo）於聚合物的（de）降解溫度（dù），而且溫度提高將會增加（jiā）塑件在模（mó）內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是（shì）提高剪切速率（lǜ），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”可能性的限製。提（tí）高剪切速率可借助於（yú）小澆口（kǒu）尺（chǐ）寸（cùn）或增大注射（shè）壓力，也（yě）即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體（tǐ）在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射（shè）入模具型腔的過程，即充模過程。這是（shì）一個複雜的（de）過程，一般（bān）為非等溫流動。由於這（zhè）一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。

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

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