一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注（zhù）塑加工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情（qíng）況。如在注射過程（chéng）中，熔（róng）體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入（rù）型腔內;在擠（jǐ）出（chū）注塑加工成型中，熔體被（bèi）螺杆擠進各（gè）種（zhǒng）口模。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（jiǎn）切速率的關係、物料流速分布、端末（mò）效應等都是十（shí）分重要（yào）的，因為這對控（kòng）製成型注塑（sù）加工工藝（yì）、塑件（jiàn）產（chǎn）量和質（zhì）量、設計成（chéng）型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體（tǐ）流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內（nèi）的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓（yuán）形導（dǎo）管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩定的層流運動，且服從指（zhǐ）數定律。取距離（lí） T 為r處的（de）流體圓柱體單元，其長（zhǎng）度為L,當它 ≈ 由左向右（yòu）移（yí）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（liú）體層間接（jiē）觸麵（miàn）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，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓（yuán）形導管內的速度（dù）分（fèn）布為什麽（me）呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流（liú）體，由於其剪切速率（lǜ）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（duì）於牛頓流體，由於牛頓黏（nián）性定律可以看為指數（shù）方程式r=Ky”中n=1時的特（tè）例，此時牛頓黏度η=ド，故（gù）也可得出相應（yīng）的流速、體積流量及管（guǎn）壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似（sì），隻是沿 軸（zhóu）作（zuò）上下平（píng）行移動而已，因而K'和n可相應視作另一（yī）個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠（chóu）度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（zài）等溫條（tiáo）件下經扁形導槽作穩定（dìng）層流運動時。在扁形導槽內（nèi）取一矩（jǔ）形單元體（tǐ），其厚（hòu）度（dù）為2y,寬度取（qǔ）1個單位長（zhǎng）度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限（xiàn）寬平行（háng）麵(扁槽寬度W應大於扁槽上（shàng）下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對（duì）流速 的減緩（huǎn）作用可忽略不計)，根據力的平衡（héng），得也就（jiù）成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方（fāng）程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度（dù）分布

如前（qián）所述，在推導流體在各種截麵（miàn）流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體或非（fēi）牛頓流體，都假定流動屬（shǔ）穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處（chù）為。因而，流體（tǐ）在導管（guǎn）內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛（niú）頓（dùn）流體來說，這種（zhǒng）速度分布（bù） 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速（sù）度在大小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。隻有（yǒu）貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為（wéi）零，流體在進入導管後須經（jīng）一定距離，穩定（dìng）狀態方能形成，實（shí）驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式算（suàn）出的大。這是因為聚合物（wù）熔（róng）體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部（bù）分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於一（yī）段導管所（suǒ）引（yǐn）起的損耗（hào），事實上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長（zhǎng）度”或“當量長度”。當量長度的長短（duǎn）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（de）6倍，在此區（qū）域內，料流已經不受導管約束，料流各點速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之（zhī）後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比（bǐ）導管直徑還要大。當（dāng）流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴（yán）重，可達一倍（bèi）之（zhī）多。除上述（shù）入口與出口端末效應外，還有一種現象（xiàng），即當剪切速率高達一定值時，流出（chū）物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流（liú），很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成（chéng）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。為了分析流體（tǐ）在穩定流動時的速（sù）度分（fèn）布，對於（yú）符合指數函數方程式的非（fēi）牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型（xíng）中的流動狀（zhuàng）態分析

注射成型中的流動過程（chéng），可（kě）以分成三個（gè）區段。第I區段是塑（sù）料物料在注射機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部（bù）。第II區段是儲存在料筒端部的（de）塑料熔體受螺杆的向前（qián）推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道（dào）和澆口，開始射入型腔內（nèi）。這一區段（duàn）的特點是各段流道長徑比較大（dà），截麵一般具有（yǒu）簡單的幾何形狀。注射過（guò）程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生（shēng）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的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內（nèi）完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相（xiàng）遷移理論（lùn）、不（bú）穩定導（dǎo）熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體（tǐ）在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻（zǔ）力變化複雜，壓（yā）力損失大，且模具中的（de）主流道、分流（liú）道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如（rú）此，仍可（kě）對其分別加以分析。這裏，重要的是（shì）對（duì）塑料熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再配（pèi）合其他（tā）各種條件，效率地生產出（chū）外觀和內部（bù）質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速（sù）率為已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）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（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定，因（yīn）此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可（kě）求出（chū）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（gǎi）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)澆口長（zhǎng）度L 當注（zhù）射壓力保持（chí）恒定時，則澆（jiāo）口（kǒu）入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長（zhǎng）度L,這就使熔體流經澆口的（de）阻力減小，也就使（shǐ）澆口入（rù）口與（yǔ）出口之間的壓力（lì）降減小，熔體在澆口中的流速增（zēng）大，這就（jiù）增大了q,值。反（fǎn）映到注射螺杆上，螺杆向前推進的（de）速度加快，也即注射（shè）速度（dù）加快，所以，縮短澆口長（zhǎng）度，在不增大澆口斷麵的情（qíng）況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即（jí）注射速度提高，熔體（tǐ）的表觀黏度也（yě）相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度（dù）與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總（zǒng）是（shì）取值。

(2)澆口（kǒu）斷麵（miàn）尺（chǐ）寸 增（zēng）大（dà）澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比（bǐ）例增長。但是（shì），澆口截麵增大了，熔體（tǐ）在澆口中的流速減慢，熔（róng）體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口（kǒu）的上限。超過此值時，再增大（dà）截（jié）麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值（zhí）減小。所以，澆（jiāo）口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所（suǒ）以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切（qiē）速率的函數，熔體流速越快（kuài），即（jí）qv越大，它的剪切速率越大，因（yīn）而表觀黏（nián）度越小（xiǎo），越容易注（zhù）射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小（xiǎo），熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率（lǜ）相（xiàng）應（yīng）也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體（tǐ）高速流經小澆（jiāo）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（qiē）速（sù）率提高到極限（xiàn）值（zhí）時，剪切速率與表觀（guān）黏度失（shī）去了依存關係，稱為失去（qù）了“剪切速率（lǜ）效應”。超過此極限值時，剪（jiǎn）切速率再增加，表觀黏度不再降低。此（cǐ）時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的（de）直徑（jìng）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（shù）塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀（guān）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（hán）數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏（nián）度（dù）值降低還要少。所（suǒ）以，東（dōng）莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠要（yào）在曲線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影響（xiǎng）有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且（qiě）盡可能高，這是（shì）大尺寸（cùn）澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速度，加（jiā）大流道（dào）係統尺寸以便將（jiāng）流量（liàng）傳（chuán）送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是（shì）一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的（de）升高也有一定限製，不能（néng）高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將（jiāng）會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率，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”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注（zhù）射（shè）壓力，也即增大切應（yīng）力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注（zhù）射成型的第皿區（qū）段是聚合物熔體經（jīng）澆口（kǒu）射入（rù）模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般（bān）為非等溫流動。由於（yú）這一注（zhù）塑（sù）加（jiā）工過程的（de）分析過於複雜，在這裏不（bú）作進一步的闡述。

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