一、聚合物熔體在簡（jiǎn）單截麵導管內的流（liú）動

在（zài）塑料注塑加工（gōng）成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在（zài）各種幾何形狀導管內流動的（de）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）係統注入型腔內（nèi）;在擠出注塑加工成型（xíng）中，熔體被螺杆擠進各（gè）種（zhǒng）口模。研究熔體在流（liú）動過程中的（de）流量與（yǔ）壓力降的（de）關（guān）係、切（qiē）應力與剪切速率的關（guān）係、物（wù）料流（liú）速分布、端（duān）末效（xiào）應等都是十分重要（yào）的，因為這對（duì）控製成型注塑加工工藝、塑（sù）件產量和質量（liàng）、設計成型（xíng）設備（bèi）和模具都有（yǒu）直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計（jì）算。

(一)在（zài）圓形導管內（nèi）的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設（shè）其流體是在半徑為R的圓形（xíng）導管（guǎn）內作等溫（wēn）穩定的（de）層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處（chù）的流體圓柱（zhù）體單元，其長度為（wéi）L,當（dāng）它 ≈ 由左向（xiàng）右（yòu）移動時，在流體層間產生摩擦力，於（yú）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，圓形導管中流動液體受力分析。由此（cǐ）看出，切應力為零，逐（zhú）漸增大而在管壁處（chù）為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分（fèn）布為什麽呈（chéng）拋物線形。

對（duì）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（jiā）的切應力，所以，可（kě）用下麵函數關係來表（biǎo）示，對於牛頓流體，由於（yú）牛頓黏性定律可以看（kàn）為指數方程（chéng）式r=Ky”中（zhōng）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（liú）量（liàng）及管壁處（chù）剪切速率的計算公式。線幾何（hé）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)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫（wēn）條件下經扁形（xíng）導槽作穩定（dìng）層流運動時。在扁（biǎn）形導槽內取一（yī）矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長（zhǎng）度，長度（dù）為L.假定扁槽上下兩麵（miàn）為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍（bèi），此（cǐ）時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用（yòng）可忽（hū）略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處（chù）K就成（chéng）為（wéi）黏度n.

(三)端末（mò）效應與速度分布

如前所述，在推導流（liú）體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流（liú）體或非牛頓流體，都假（jiǎ）定流動屬穩定（dìng）流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大（dà），而（ér）在管壁處（chù）為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向（xiàng）管壁逐漸減少，而在管壁處為（wéi） 零。對牛頓流體來說，這種速度分布（bù） 呈拋物線形;但是，當流體由儲（chǔ）槽（cáo）、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點（diǎn）的運動速度（dù）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（tǎn）而成一直線。隻有貼（tiē）近管壁極薄（báo）一層（céng）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（zhuàng）態方能形成，實驗測定，流體在此段（duàn）內的壓力降總是比（bǐ）用式算出的（de）大。這（zhè）是因為聚合物熔體在此區（qū）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（kǒu）損耗曾有人設想為相當（dāng）於一段（duàn）導管所（suǒ）引起（qǐ）的損耗，事實上這（zhè）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（zhǎng）短（duǎn）隨具體條件（jiàn）而改（gǎi）變，實（shí）驗證明，聚合物熔體（tǐ）的當量長度一般約為導管半（bàn）徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束（shù），料流各點速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在出（chū）口區，假塑（sù）性流體繼收（shōu）縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且（qiě）脹（zhàng）至比導管直徑（jìng）還要大。當流出（chū）速度恒定時，導管越短，膨脹（zhàng）越嚴重，可達一倍（bèi）之多。除上述入口（kǒu）與出口端末效（xiào）應外，還有一種現（xiàn）象，即當剪切速率高達一定值（zhí）時（shí），流出物表麵呈（chéng）粗糙狀，剪切速率越（yuè）大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現（xiàn）象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往（wǎng）往采（cǎi）用改進成型（xíng）口（kǒu）模和將流量控製在一定範圍（wéi）內來解決。為了分析流體（tǐ）在穩定流動時的（de）速度分布，對於符合指數函數方程式（shì）的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分（fèn）析

注（zhù）射成（chéng）型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是（shì）塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料（liào）筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑（sù）化，並將（jiāng）塑化（huà）好的熔體（tǐ）儲存在料筒的端部。第II區段是儲（chǔ）存在料筒端部的（de）塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴（zuǐ）、模具的（de）主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何（hé）形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體（tǐ）經澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這一（yī）區段（duàn）完全在模具內完成，過程非常複雜，涉（shè）及三維流動、相遷移理論、不穩定（dìng）導熱（rè）等方麵的知識。

(一（yī）)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵形狀（zhuàng）的流道，這裏（lǐ）阻（zǔ）力變化複雜，壓力損失大，且模具（jù）中的主流道、分流道和澆口（kǒu）的溫度隨時間而變化，溫度場不穩（wěn）定。盡管如此，仍可對其（qí）分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體（tǐ）流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基（jī）本要求（qiú）是根據型腔體積將（jiāng）足量的塑料熔體以較快的（de）速（sù）度注（zhù）入（rù）型腔，再配合其他各種（zhǒng）條（tiáo）件，效（xiào）率地生產出外觀（guān）和（hé）內部質量均好的注射塑件。根據實（shí）踐經驗（yàn），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（què）定，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。也即求出R 的範（fàn）圍和寬厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的規格已根（gēn）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，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出（chū）澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間（jiān）不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其他（tā）參數也隨之而變。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（dìng）時，則澆口入口（kǒu）處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口（kǒu）長度L,這（zhè）就使熔體流經（jīng）澆（jiāo）口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間的壓（yā）力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了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（néng）提高注（zhù）射速率（lǜ）。同時，由於熔體在澆口（kǒu）中的流速提高，也即注射速度提高（gāo），熔（róng）體的（de）表觀黏度也相應降低，這（zhè）是由於非牛頓（dùn）流體的表觀黏度（dù）與剪切速率有關（guān）。又短澆口可以不被固封，可（kě）保持常開（kāi）。由於以上理（lǐ）由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷（duàn）麵尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口（kǒu）截麵增（zēng）大了，熔體在澆口中（zhōng）的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高（gāo）。所以，澆口截麵的增大有個極（jí）限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由（yóu）於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸（cùn）並非越（yuè）大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕（jué）大（dà）多數（shù）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（qiē）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（jiā）工（gōng）廠 采用（yòng）小澆（jiāo）口意味著斷麵很小（xiǎo），即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速（sù）率相應也（yě）極大，表觀（guān）黏度很低。另外，由於熔體（tǐ）高（gāo）速流經小澆口，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（de）表觀（guān）黏度。但（dàn）是，當剪切速率提高到極限值時，剪切（qiē）速率與表（biǎo）觀黏度失（shī）去了依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀（guān）黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數（shù）塑料來說，點澆口的直徑不（bú）大於 1.5mm,對（duì）較黏的塑（sù）料（liào）。

(3)選擇（zé）合理（lǐ）的剪切速率（lǜ） 因為大多（duō）數塑料熔體都屬（shǔ）於非牛頓假塑（sù）性流體，其表觀黏度與剪切速率的（de）函數式可用式表示。即n.與（yǔ）y是指數函數關係，不是（shì）線型關係。如（rú）果剪切速（sù）率再（zài）高，表觀黏度值降低還（hái）要少。所以，東莞（wǎn）市馬馳科（kē）注塑加工廠要在曲（qǔ）線上選擇一段剪切速率（lǜ），使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆（jiāo）口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增（zēng）大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流（liú）量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一（yī）個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫（wēn）度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫（wēn）度提高將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（lǜ），提高（gāo）剪（jiǎn）切速率（lǜ）也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限（xiàn）製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或（huò）增大注射壓（yā）力，也（yě）即增大切應力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模（mó）過程中的（de）狀態

注（zhù）射成型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射入模具（jù）型腔的過程，即充模（mó）過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這（zhè）一注（zhù）塑（sù）加工過程的分析過於（yú）複雜，在這裏不（bú）作進一步的闡述。

標題：聚合物在成型過程中的流動狀（zhuàng）態 網址：http://www.guiyaochina.com/server/show/id/1652.html

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