一、聚合物（wù）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種幾何形狀（zhuàng）導管內流動的（de）情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔（qiāng）內;在擠出（chū）注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口（kǒu）模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關（guān）係、物料流速分布、端末效應等都是（shì）十分重要的，因為這對控製（zhì）成型注塑加工（gōng）工藝、塑件產量（liàng）和（hé）質量、設計成型設備和模具（jù）都有直接關係。由於非（fēi）牛頓流體流變行為的（de）複雜性，目前隻（zhī）能對幾種簡（jiǎn）單截麵導（dǎo）管（guǎn）內（nèi）的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合（hé）物熔體在（zài）圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的（de）圓形導管內作等（děng）溫穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長（zhǎng）度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積（jī），圓形導管中流動液體受（shòu）力分析。由此看出，切（qiē）應力（lì）為零（líng），逐漸增大而（ér）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的（de）速度分布為什麽呈拋物（wù）線（xiàn）形。

對於牛（niú）頓流體或非牛（niú）頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴（lài）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（niú）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、體（tǐ）積流量（liàng）及（jí）管壁處剪切速率的計（jì）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可相應視作另一個稠度（dù）和流動行為指數，也稱表觀稠度（dù）與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導（dǎo）槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚度為（wéi）2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩（liǎng）麵為無限寬（kuān）平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流（liú）速 的減緩作（zuò）用（yòng）可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛（niú）頓流體的流動行為（wéi），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（rú）前所述，在推導流體在各種截麵流道內流動的流動（dòng）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，切應力為零，向管（guǎn）壁逐漸增（zēng）大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布（bù）為零，向管（guǎn）壁（bì）逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物（wù）線形;但是（shì），當流體由儲槽、大（dà）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（qí）速度分布幾乎平坦而成一直（zhí）線。隻（zhī）有貼近管壁極薄一層液層處，其速（sù）度驟降，至管壁處為（wéi）零，流體在進入導管後須經（jīng）一定距離，穩定狀態方能（néng）形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式算出的大。這是因（yīn）為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速（sù）度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗（hào）曾有人（rén）設想為相當於一段導（dǎo）管所引起的損耗（hào），事實上這一段導管長度並不存（cún）在（zài），因（yīn）而稱（chēng）為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長（zhǎng）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，料流已經（jīng）不受導管約（yuē）束（shù），料流各點速度（dù）在此重新調整（zhěng）為相等的速度（dù）。

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（zhàng）至比導管直（zhí）徑還要大。當流出（chū）速（sù）度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出（chū）物表麵呈粗糙狀，剪切速率（lǜ）越大，流出物（wù）越粗糙，甚至不能成流，很（hěn）快斷裂，這（zhè）種現（xiàn）象稱為“熔（róng）體破碎”。在擠出（chū）注塑加工成型中往往采用（yòng）改進成型口模和（hé）將流量控製在一定範圍內（nèi）來解決。為了分析流（liú）體在穩定流動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流（liú）體。

二、注射（shè）成型中的流動狀態（tài）分析

注射成型中的流動過程，可（kě）以分成三個區（qū）段。第（dì）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（yā）縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第（dì）II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的（de）向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆（jiāo）口，開始（shǐ）射入型腔內。這一區段的（de）特點是各段流道（dào）長徑（jìng）比較（jiào）大，截麵一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段流體基本上不（bú）發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體（tǐ）經（jīng）澆口射入型腔過（guò）程中的（de）流動、相變及固化。這一區段完全在模（mó）具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流（liú）道中的狀態

注射成型中，流體（tǐ）在第II區段的流動要（yào）經過多（duō）種截麵形狀的（de）流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流（liú）道、分流（liú）道和（hé）澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩（wěn）定。盡管如此，仍可對其分別（bié）加以分析。這裏，重要的（de）是對（duì）塑料熔體流經澆口時狀（zhuàng）態的分析。

注射（shè）成型的基本要求是根（gēn）據型腔體積將足量的塑料熔體以較快的（de）速（sù）度（dù）注入型腔，再配合其他各種條件，效（xiào）率地（dì）生產出外觀和（hé）內部質（zhì）量均好的注射塑（sù）件。根據實踐經驗，由於注射（shè）機的規格已根據塑件（jiàn）體積（jī）選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範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的範圍。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，也即理想的qv值已確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速率（lǜ）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，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下（xià）麵分別進行分析。

(1)澆口長度（dù）L 當注射壓力保持（chí）恒（héng）定時，則（zé）澆口入口處的壓力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（xiǎo），也就使澆口入口與出口（kǒu）之（zhī）間的壓力降減小（xiǎo），熔體在澆口中的（de）流速增大，這就增大了q,值。反（fǎn）映到注射螺杆上，螺杆向（xiàng）前推進的速度加快，也即注射速度（dù）加快，所以（yǐ），縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆（jiāo）口中（zhōng）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（yú）非牛頓流體的（de）表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以（yǐ）上理（lǐ）由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷（duàn）麵尺寸 增大澆口斷麵有（yǒu）利於qv值的（de）增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長（zhǎng）。但是，澆口截麵增（zēng）大了，熔體在澆口中的流速減慢（màn），熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆（jiāo）口的上限。超（chāo）過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，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（jiāo）口之所以成功，是因為絕大多（duō）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（yuè）小，越容易注射。東莞（wǎn）市馬馳科注塑加（jiā）工廠 采用小澆口意味著斷麵很（hěn）小，即R很（hěn）小，熔體流經小澆口時（shí）流速極大，剪（jiǎn）切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由（yóu）於熔體高速（sù）流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫（wēn）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，剪切速率與表觀黏度失（shī）去了（le）依存關係，稱為失（shī）去了（le）“剪切速率效應”。超過此極限值（zhí）時，剪（jiǎn）切速率再（zài）增加，表（biǎo）觀黏度（dù）不（bú）再降低。此時澆口的斷麵就是（shì）點（diǎn）澆口的極限（xiàn）尺寸。對多數（shù）塑料（liào）來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較（jiào）黏的塑料。

(3)選擇合（hé）理（lǐ）的剪切速率 因為（wéi）大多數塑料熔體都（dōu）屬於（yú）非（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關（guān）係（xì），不是線型關係。如果剪切速率再高（gāo），表觀黏度（dù）值降低還要（yào）少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng）要（yào）在曲線上選擇一段剪切速率，使（shǐ）它對黏度的影（yǐng）響有（yǒu）利於注射，這是頗為重要的（de）。一般來說，剪（jiǎn）切速（sù）率取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏（nián）度 當（dāng）模具充不滿時，除增大（dà）注射量和注射速度，加大流道（dào）係統尺寸以便將流量傳送至澆口（kǒu）外，降低（dī）塑（sù）料熔（róng）體的表觀黏度也是一（yī）個有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦（bàn）法是升高（gāo）溫度，然而（ér）溫度的升（shēng）高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在（zài）模內的（de）冷卻時間。降（jiàng）低黏度的另一種辦（bàn）法是提（tí）高剪切速率（lǜ），提高剪（jiǎn）切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製。提高剪切速率可借（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（bèi）。

(二)流體在充模過程中（zhōng）的狀態

注射成型（xíng）的第皿區段是聚合物熔體（tǐ）經澆口射入模具型（xíng）腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過（guò）程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在（zài）這裏不作進（jìn）一步（bù）的闡述（shù）。

標題：聚合物（wù）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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