一、聚合物熔體在簡單截麵導管內（nèi）的流（liú）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（xíng）狀導（dǎo）管內流（liú）動的（de）情況。如在（zài）注射（shè）過程（chéng）中（zhōng），熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型（xíng）中，熔體被螺（luó）杆擠進各種口模。研究熔體（tǐ）在流動過程中的流量與壓力降的（de）關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分（fèn）布、端末效應等都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設（shè）備和模（mó）具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓流體流變行（háng）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算。

(一)在圓形導管內（nèi）的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層流（liú）運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處（chù）的流體圓柱體（tǐ）單（dān）元，其長度為L,當它 ≈ 由左向（xiàng）右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力（lì）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（miàn）積的乘積（jī），圓形導管中流動液體（tǐ）受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁（bì）處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導（dǎo）管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於（yú）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（yǐ），可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（niú）頓黏度η=ド，故（gù）也可得出相應的流速、體積流量及（jí）管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形（xíng）狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和（hé）n可相應視作另一（yī）個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動（dòng）行（háng）為指數（shù）。

(二)在扁形導槽內的（de）流動

當塑料熔體在等溫（wēn）條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁（biǎn）形導槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚度為2y,寬度取（qǔ）1個單位長度，長（zhǎng）度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平（píng）行麵(扁槽寬度W應大於扁槽（cáo）上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁（biǎn）槽兩（liǎng）側壁對流速 的減緩作用（yòng）可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流（liú）動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導流體在各種截麵流（liú）道內（nèi）流動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流（liú）體，都假定流動屬穩（wěn）定流動狀態（tài），切應力為零，向管壁逐漸增大，而在（zài）管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在（zài）管壁處為 零。對牛頓流體來說（shuō），這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬（shǔ）於穩定流（liú）動，流 體（tǐ）各質點的運動速度在大小和方向（xiàng）上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近（jìn）管（guǎn）壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成（chéng），實驗測定，流體在此段內（nèi）的壓（yā）力降總是比用式算出的大。這是因為聚（jù）合物熔體在此區域內產生彈（dàn）性變（biàn）形和（hé）速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾（céng）有（yǒu）人設（shè）想為（wéi）相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一（yī）段導管長度並不存在，因而稱為“虛構（gòu）長度”或“當（dāng）量長度”。當量長度的長短隨具體條件而（ér）改變，實（shí）驗證明，聚（jù）合物熔體的當（dāng）量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（chóng）新調整為相等的速度。

另外，在（zài）出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹（zhàng），而且脹至比導管直徑還（hái）要大。當流出速度恒（héng）定時，導管越短，膨（péng）脹越嚴重，可（kě）達一倍之多。除上述入口（kǒu）與出口端末效（xiào）應外，還有一種現象，即（jí）當剪切速率高（gāo）達一定值時，流出（chū）物表麵呈粗糙狀，剪切（qiē）速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成型口模和將流量（liàng）控製在一定範圍內來解決。為了分析（xī）流（liú）體在穩定流動（dòng）時的速度分布，對於符合指數函（hán）數方程式的非牛頓流體和牛頓（dùn）流體。

二、注射成（chéng）型中的流動狀態分析

注（zhù）射成型中的流（liú）動過程，可以（yǐ）分成三（sān）個區段（duàn）。第I區（qū）段是塑料物料在注（zhù）射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化（huà）好的熔體儲（chǔ）存在料（liào）筒的端部。第II區段是儲存在料筒（tǒng）端部的塑（sù）料熔體受（shòu）螺杆的向前推壓通過噴（pēn）嘴、模具的主流（liú）道、分流道和（hé）澆口，開始射入型腔內（nèi）。這一區段的（de）特（tè）點是各段流道長徑比較大，截麵一般具（jù）有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段（duàn）流體基本上不發（fā）生物理（lǐ）、化學變化。第II區段是塑料熔（róng）體經澆口射入型腔過程中的流動（dòng）、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，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（tǐ）在流道中（zhōng）的狀（zhuàng）態

注射（shè）成型中，流體（tǐ）在第（dì）II區段的流動要經過多種截麵形狀的（de）流道，這裏阻力變化複（fù）雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度（dù）隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加（jiā）以分析。這裏，重要的是對塑料熔（róng）體（tǐ）流經（jīng）澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是根據型（xíng）腔體積將足（zú）量的塑料熔體以較快的速（sù）度注入型腔，再（zài）配合其他各種條件，效率地生產出外（wài）觀和內部質量均好的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗，由於（yú）注射機的規格已根據塑件體積選（xuǎn）定，注射速率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪（jiǎn）切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。也即求出R 的範（fàn）圍和寬厚積Wh的範圍。由於注（zhù）射機的規格已根據塑件體（tǐ）積選（xuǎn）定（dìng），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（kǒu）截麵（miàn）尺寸（cùn）的範圍。但是（shì）它們之間不是孤立的，而（ér）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（miàn）分別進行分析。

(1)澆口長（zhǎng）度L 當注射壓力保持（chí）恒定時，則（zé）澆口入（rù）口處的壓力p1,保持不（bú）變（biàn），如果改短（duǎn）澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間（jiān）的壓力降減小，熔體在澆口中的（de）流速（sù）增大，這就增大（dà）了q,值。反映（yìng）到注（zhù）射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也（yě）即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大（dà）澆口斷麵的情況下，就能提高（gāo）注射速率。同時，由於（yú）熔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（liú）體的表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可保持（chí）常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取（qǔ）值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大（dà）澆口斷麵有（yǒu）利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比（bǐ）例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體（tǐ）在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所（suǒ）以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值，這是大澆（jiāo）口的上限。超過此值時，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（zhī）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（de）函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因（yīn）而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小（xiǎo）澆口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉（zhuǎn）變為熱能，遂提高了澆口處（chù）的局（jú）部溫度，也有利於降低（dī）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（biǎo）觀黏度失去了依存關係，稱為失去（qù）了“剪（jiǎn）切速（sù）率效（xiào）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（shí）澆口的斷麵就是點（diǎn）澆（jiāo）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,對較黏的塑料。

(3)選擇（zé）合（hé）理的（de）剪（jiǎn）切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與（yǔ）剪切速率的函（hán）數式可用式表示（shì）。即n.與y是指數函數關係，不是線型（xíng）關係。如果剪切速率（lǜ）再高，表觀黏度值降低還（hái）要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇一段（duàn）剪切速率，使它對黏度的影響有利於（yú）注射，這是（shì）頗為重要的。一（yī）般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是（shì）大尺寸澆口的模（mó）具所難（nán）以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注（zhù）射量和注射（shè）速度（dù），加大（dà）流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降（jiàng）低塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦（bàn）法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有（yǒu）一定限製，不能高於（yú）聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增（zēng）加塑件在模內的冷卻時間。降（jiàng）低黏度的另一種辦法是提高剪切速（sù）率，提高（gāo）剪切速率也要受（shòu）到聚（jù）合物的降解或（huò）燒焦以及“熔體破碎”可（kě）能性的限製。提高剪切速率可借（jiè）助於小（xiǎo）澆口尺寸或增大注射（shè）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（xíng）的第皿區段是聚合物熔（róng）體經澆口（kǒu）射入模具型腔的過（guò）程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注（zhù）塑加（jiā）工（gōng）過程的分析過於複雜，在這裏（lǐ）不作（zuò）進一（yī）步的闡述。

標題：聚合物在成型過程中的流（liú）動（dòng）狀態 網址（zhǐ）：http://www.xueqin5.com/news/show/id/1652.html

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