一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工（gōng）成型（xíng）過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體（tǐ）被柱塞推動前進（jìn），從噴嘴經（jīng）澆注係統注（zhù）入型腔內;在（zài）擠出注塑加工成型中（zhōng），熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的（de）流量與壓力降的關係、切應力與剪切（qiē）速率的關係、物料流速分布、端末（mò）效應等都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑（sù）件產量和質量、設計成型設備（bèi）和模具都有直接關係（xì）。由於非牛（niú）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（liú）動作定量的計（jì）算。

(一)在（zài）圓形導（dǎo）管內的流動

為（wéi）了（le）研究聚合物熔體（tǐ）在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（nèi）作等（děng）溫穩定的層流運（yùn）動，且服從指數定律。取距離（lí） T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由（yóu）左（zuǒ）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（yǔ）流體層間接觸麵積的乘積，圓（yuán）形導管中流動液體受力分析。由此（cǐ）看（kàn）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，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形（xíng）。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由（yóu）於其剪（jiǎn）切速（sù）率隻依賴於所施加的切應（yīng）力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流（liú）體（tǐ），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（cǐ）時牛（niú）頓黏度η=ド，故（gù）也可得出（chū）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（háng）移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表（biǎo）觀稠度（dù）與表觀（guān）流動行為指（zhǐ）數。

(二)在扁形導槽內的流動

當（dāng）塑料熔體在等溫條件下經扁形（xíng）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（kuān）度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上下（xià）兩（liǎng）麵為無限（xiàn）寬平行麵（miàn）(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（cáo）兩側壁（bì）對（duì）流速 的減緩作用可忽略（luè）不計)，根據力（lì）的平衡，得也（yě）就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓（dùn）黏性定律方程（chéng）式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應（yīng）與速度分（fèn）布

如前所述，在推（tuī）導（dǎo）流體在各種截（jié）麵流道內流動的（de）流動方程式時，不（bú）論牛頓流體或非牛頓流體（tǐ），都假定流動屬穩定流動狀（zhuàng）態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減（jiǎn）少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說（shuō），這種速度分布 呈拋物（wù）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 體各質點的運動速度在大小和方向（xiàng）上都隨時發生變化，因而其速（sù）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，至管壁處為零，流體在（zài）進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用（yòng）式算出的大（dà）。這是因為聚合物熔體在此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（céng）有人設想為相當於一段導管所引起的損耗，事實（shí）上這一段導管長度並不（bú）存在，因而稱為“虛構長度”或“當量（liàng）長度”。當（dāng）量（liàng）長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體（tǐ）的當量（liàng）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，料流各點速度在此重新調（diào）整為相等的速度。

另（lìng）外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈（dàn）性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流（liú）出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達（dá）一倍（bèi）之（zhī）多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切（qiē）速率高（gāo）達一定（dìng）值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出（chū）物越（yuè）粗糙，甚（shèn）至不能成流，很快斷（duàn）裂，這種現象稱為“熔體（tǐ）破碎”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往采用改進成（chéng）型（xíng）口（kǒu）模和將流（liú）量控（kòng）製在一定範圍內（nèi）來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度（dù）分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛（niú）頓流體。

二、注射成型中的（de）流動狀態分析

注射（shè）成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料（liào）物料在注（zhù）射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並（bìng）將塑化好的熔（róng）體（tǐ）儲存在料筒的端部。第II區段（duàn）是儲存在料筒端部的塑（sù）料熔體受螺杆的（de）向前推壓通過噴嘴、模具的主流（liú）道、分流道和（hé）澆口，開始（shǐ）射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截（jié）麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料（liào）熔體流動的三個區段流體基本上不發生（shēng）物理、化學變化（huà）。第II區（qū）段是塑料熔體經澆口射（shè）入型腔（qiāng）過程中的流動（dòng）、相變及固化。這一區段完全在模具（jù）內完成，過（guò）程非常複（fù）雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導（dǎo）熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體在第II區段（duàn）的流（liú）動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的（de）主（zhǔ）流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍（réng）可對其分（fèn）別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要求（qiú）是根據型腔（qiāng）體積將足量的塑料熔體（tǐ）以較快的速度注入型（xíng）腔，再配合其他各種條件，效率地生（shēng）產出外觀和內部質量均（jun1）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（jiāo）口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍（wéi）和寬厚積Wh的（de）範圍。由於（yú）注射機的規格（gé）已根據塑件（jiàn）體積（jī）選定，注射（shè）速率為已知值，也即理想（xiǎng）的qv值已（yǐ）確定，因此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們之間不（bú）是孤立（lì）的，而是相互有影響的，改變了某一個（gè）參（cān）數，其他參數也隨（suí）之而變。下麵（miàn）分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓（yā）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（jiāo）口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就（jiù）使澆口（kǒu）入口與出（chū）口之間的壓力降（jiàng）減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了（le）q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進（jìn）的速度加快，也即注射速度（dù）加快，所以，縮短澆口長度，在不增（zēng）大澆口斷麵的情況下，就能提高注（zhù）射速率。同時，由（yóu）於熔（róng）體在澆口中的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率（lǜ）有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由（yóu）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（yǒu）利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是（shì），澆口截麵增大（dà）了，熔體在澆口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度（dù）相應增高。所（suǒ）以，澆口截（jié）麵的（de）增大有個極限值（zhí），這是大澆口的（de）上限（xiàn）。超過此值時，再增大（dà）截麵，由於表觀黏度的增大，反（fǎn）而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸（cùn）並非（fēi）越大越好。相反，點澆口之所以成（chéng）功，是因為絕大（dà）多數塑料熔體的表觀黏度是剪（jiǎn）切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小（xiǎo），越容易注射。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，熔體流經小澆口時（shí）流速極大，剪切速率（lǜ）相應也極大（dà），表觀黏度很低。另外，由（yóu）於熔體高速流經小澆口（kǒu），部分轉變為熱能，遂提高了（le）澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但（dàn）是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失（shī）去了依存關係，稱為失去（qù）了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆（jiāo）口的斷麵就是點澆口（kǒu）的極限（xiàn）尺（chǐ）寸。對多數塑料（liào）來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏（nián）的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為（wéi）大多數塑料熔體都屬（shǔ）於非牛（niú）頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率（lǜ）的函數式可用式表示。即n.與y是（shì）指數函數關係，不是線（xiàn）型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少（shǎo）。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng）要在曲線上選擇一段剪切速率，使它（tā）對黏度的影響有利於注（zhù）射（shè），這是（shì）頗為重要的。一般來說，剪切速（sù）率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的（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（zhù）射量和注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將流量傳送至（zhì）澆口外，降低塑料熔體的表（biǎo）觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是（shì）升（shēng）高溫度，然而溫度的升高也有一定限（xiàn）製，不（bú）能高於聚合物的降解溫度，而且溫度（dù）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（bàn）法是提高剪切速率，提高剪切（qiē）速率也要受到（dào）聚合物的降解（jiě）或燒焦以（yǐ）及“熔體破碎”可能（néng）性（xìng）的限製。提高剪切速率可借助於小（xiǎo）澆口尺寸（cùn）或增大注射壓力，也即增大切應（yīng）力或兩者兼備。

(二)流體在充（chōng）模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔體（tǐ）經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜（zá）的過程，一（yī）般為（wéi）非等溫流（liú）動。由於這一注塑加工過程（chéng）的分析過於複雜，在這裏（lǐ）不作進一步的闡述。

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

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