一、聚合物熔體在簡（jiǎn）單截麵（miàn）導管內的流動

在（zài）塑料注塑加（jiā）工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流（liú）動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統（tǒng）注入型腔（qiāng）內;在擠出注塑加工成型中（zhōng），熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動（dòng）過程中的流量與（yǔ）壓力降的關係、切應力與剪切速（sù）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（zhè）對控（kòng）製成型注塑（sù）加工工藝、塑（sù）件產量和質量、設（shè）計成型設（shè）備和模具都有直接關係（xì）。由於非牛頓流體（tǐ）流（liú）變行為的複雜性，目前隻（zhī）能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的（de）計算（suàn）。

(一)在圓（yuán）形導管（guǎn）內的流（liú）動

為（wéi）了研究聚（jù）合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其（qí）流體（tǐ）是在半徑為R的圓形導管內（nèi）作等溫穩定（dìng）的（de）層流運動，且服從指數（shù）定律（lǜ）。取距離 T 為r處的流體圓柱體單（dān）元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於（yú）是，其中壓力降Δp與圓（yuán）柱體截麵的乘積必等（děng）於切應力（lì）т與流體層間接（jiē）觸麵積的乘積，圓形導管中流動液（yè）體受力分析。由此看出（chū），切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步（bù）推導的結果，又可說明流體在圓形導管（guǎn）內的速度分布為（wéi）什（shí）麽呈拋物線形。

對（duì）於牛（niú）頓流體或非牛頓黏性流體，由於（yú）其剪切速率隻依賴於所施加的（de）切應力，所以，可（kě）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（sù）、體積流量及管壁處剪切速率的計算（suàn）公式。線幾何形狀相似，隻是沿（yán） 軸作上下平行移動而已，因（yīn）而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行（háng）為指（zhǐ）數。

(二)在（zài）扁形導（dǎo）槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件（jiàn）下經扁形導槽作穩定層流運動時（shí）。在扁形導（dǎo）槽內取（qǔ）一矩形單元體，其厚度為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（háng）麵(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（liú）速 的減緩作（zuò）用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就（jiù）成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性（xìng）定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述（shù），在推導流體在各種截（jié）麵流道內流動的流（liú）動方程（chéng）式時，不論牛頓流體或非牛（niú）頓流體，都假定流（liú）動屬穩定流動狀態，切應（yīng）力為零，向管壁逐漸增（zēng）大，而在管壁處為。因而，流體（tǐ）在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管（guǎn）壁處為 零。對牛頓流（liú）體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由（yóu）儲槽、大（dà）管進入導管內時就（jiù）不屬於穩定流動，流 體各質點的運（yùn）動速度在大（dà）小（xiǎo）和方向上都隨時發生變化（huà），因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻（zhī）有貼近管壁極薄（báo）一層液層處（chù），其速（sù）度驟降，至管壁處為零，流體（tǐ）在（zài）進入導（dǎo）管後須經一定距（jù）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（de）大。這是因為聚合物熔體在此（cǐ）區域內產生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（yú）一段導管所（suǒ）引起的（de）損耗，事實（shí）上這一（yī）段導（dǎo）管長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度（dù）的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長（zhǎng）度一般約為導管半徑的6倍，在（zài）此區域（yù）內，料流已經不受導管約束，料流各點速度（dù）在此重新調整為相等的速（sù）度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢（huī）複（fù）又（yòu）出現膨脹，而且（qiě）脹至（zhì）比導管直徑（jìng）還要大。當（dāng）流（liú）出速度恒定時，導管越短（duǎn），膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上（shàng）述入口與出口（kǒu）端（duān）末效應外，還（hái）有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出（chū）物越粗糙，甚（shèn）至不能成流，很快斷裂，這種現象（xiàng）稱為“熔體破碎”。在（zài）擠出注塑加工成型中往往采（cǎi）用改進成型口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了（le）分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符（fú）合指數函數方程式（shì）的非牛頓流體和牛頓流體（tǐ）。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可以分成三個區段（duàn）。第I區段是塑料物（wù）料（liào）在注射機（jī）內旋轉螺（luó）杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑（sù）化（huà），並將塑（sù）化（huà）好的熔體（tǐ）儲存在料（liào）筒（tǒng）的端部（bù）。第II區段是儲（chǔ）存在料筒端部的塑料熔體受螺（luó）杆的向前推（tuī）壓通過噴嘴、模具的主流道（dào）、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段（duàn）的特點是各段流道長徑（jìng）比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀（zhuàng）。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段（duàn）流體基本上不發生物理（lǐ）、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入（rù）型腔過程中的流動、相（xiàng）變及固化。這（zhè）一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動（dòng）、相遷移理（lǐ）論、不（bú）穩定導熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道中的（de）狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動（dòng）要經過（guò）多種截麵（miàn）形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失（shī）大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩（wěn）定（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分（fèn）析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時（shí）狀態的（de）分析。

注射成型（xíng）的基（jī）本要（yào）求是根據（jù）型腔體積將足（zú）量的塑料熔（róng）體以較（jiào）快的速度注入型（xíng）腔，再配合其（qí）他各種條件（jiàn），效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根（gēn）據實踐經（jīng）驗（yàn），由於注射機的規格已（yǐ）根據塑（sù）件體積（jī）選定，注射速率（lǜ）為已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定，因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截（jié）麵（miàn）尺寸的範圍。也即（jí）求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由於（yú）注射機的（de）規格已根據塑件體（tǐ）積選定，注射速（sù）率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定（dìng），因此，根據表觀剪切速率範圍即澆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（hù）有影響的，改變了某一個參數，其他參（cān）數也隨（suí）之而變。下（xià）麵分別進（jìn）行分析。

(1)澆口長度（dù）L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口（kǒu）處的壓力p1,保持不變，如果改（gǎi）短澆口（kǒu）長度L,這就使熔體流經澆（jiāo）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），熔體在（zài）澆（jiāo）口中的（de）流速增大，這就增大了q,值。反映到注（zhù）射（shè）螺（luó）杆上，螺杆向前推進的速（sù）度加快，也即注射速度加快（kuài），所以，縮短澆（jiāo）口長度（dù），在不增大澆口斷麵的（de）情（qíng）況下，就能提高注射速率（lǜ）。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀（guān）黏度也相應降低，這是由於非（fēi）牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有關。又短（duǎn）澆口可以不被（bèi）固封（fēng），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（jiāo）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成比例增長。但是，澆口截麵增（zēng）大了，熔體在澆口中的流速減慢（màn），熔（róng）體的表觀黏（nián）度相應增高。所以，澆（jiāo）口截麵的增（zēng）大（dà）有個極限值（zhí），這是大澆口的上限。超（chāo）過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的（de）增大，反（fǎn）而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口（kǒu）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（yuè）大，因而表觀黏度越（yuè）小，越容易注射。東莞市馬（mǎ）馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由（yóu）於熔體高速流（liú）經小澆口，部分轉變為熱能（néng），遂提高了澆口處的局部（bù）溫度，也有（yǒu）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，剪切速率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失去了（le）“剪切速率效應”。超過此極限（xiàn）值時，剪切速率再（zài）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（cùn）。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於 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非牛頓假塑性流體（tǐ），其表觀黏度與（yǔ）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（xì）。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工（gōng）廠要在曲線（xiàn）上選擇一段剪切速（sù）率，使（shǐ）它對黏度（dù）的影響有利（lì）於注射，這是頗為重要（yào）的。一般來說，剪切（qiē）速率取高值，黏度（dù）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 當模具充不滿時（shí），除增大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降（jiàng）低塑料熔體（tǐ）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高（gāo）溫度，然而溫度的升高也有一定（dìng）限製（zhì），不（bú）能高於（yú）聚合（hé）物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷（lěng）卻時間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率（lǜ），提高剪切速率也要（yào）受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體（tǐ）破碎（suì）”可能性的限製（zhì）。提高剪切速率可借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。這是一個複雜的過程（chéng），一般為非等溫流動。由於這（zhè）一注塑（sù）加工過程的分析過（guò）於複雜，在這裏（lǐ）不作進一步的闡述。

標（biāo）題（tí）：聚合（hé）物在成型過程中的流動狀態 網址：http://www.xueqin5.com/news/show/id/1652.html

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