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）成型過程中，經常會遇（yù）到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內（nèi）流動的情況。如在注射過程中，熔體被（bèi）柱塞推（tuī）動前進，從噴嘴（zuǐ）經澆注係統注入型腔內;在擠出（chū）注塑加工成（chéng）型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量（liàng）與壓力降的關係、切應力（lì）與剪切速（sù）率的關係、物料流速分布、端末效應等都是十分重要的，因為這對（duì）控製（zhì）成型注塑（sù）加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備（bèi）和（hé）模具都有直接關（guān）係。由於非牛（niú）頓（dùn）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算。

(一（yī）)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔（róng）體（tǐ）在圓形（xíng）導管（guǎn）內的流動狀（zhuàng）況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等（děng）溫穩定的層流運動，且服從指數定（dìng）律。取距離 T 為（wéi）r處的（de）流體圓柱體單元（yuán），其長度為L,當它 ≈ 由左（zuǒ）向右移（yí）動時，在流（liú）體（tǐ）層間產生摩擦力（lì），於（yú）是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積（jī）必等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形（xíng）導管中流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐（zhú）漸增（zēng）大而在管（guǎn）壁處為，據（jù）此進一步推（tuī）導的結果，又可說明流體在圓（yuán）形導管內的速度分布為（wéi）什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切速（sù）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（yóu）於（yú）牛頓（dùn）黏性定律可（kě）以看為（wéi）指數方程式r=Ky”中（zhōng）n=1時的特例，此（cǐ）時（shí）牛頓黏度η=ド，故也可（kě）得（dé）出相應的流速、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（zhī）是沿 軸作上下平行移動而已，因而（ér）K'和（hé）n可相應視作（zuò）另（lìng）一個（gè）稠度和流動行（háng）為指（zhǐ）數，也稱表（biǎo）觀稠度與表觀流動（dòng）行為指數。

(二)在扁形導槽內（nèi）的流動

當塑料熔體在等（děng）溫條（tiáo）件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導（dǎo）槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位（wèi）長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限（xiàn）寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁（biǎn）槽上下 平行麵距離（lí）2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作（zuò）用可忽略（luè）不（bú）計)，根據力的平衡，得（dé）也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓（dùn）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（fèn）布

如前（qián）所述，在推導（dǎo）流體在各種（zhǒng）截麵（miàn）流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體（tǐ），都（dōu）假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零（líng），向管壁逐漸（jiàn）增大，而在管壁處（chù）為。因而，流體在導（dǎo）管內的速度分布為零，向管（guǎn）壁逐漸減（jiǎn）少，而在（zài）管壁處為 零。對（duì）牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但（dàn）是，當流體由儲槽、大管進入導管內（nèi）時就不屬（shǔ）於穩定流動，流 體各質（zhì）點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而（ér）其速度（dù）分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管（guǎn）壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體（tǐ）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，流體在此段內的壓力降總是比用式算出的（de）大。這是因為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和（hé）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（dāng）於一段導管所引起的損耗，事實上這（zhè）一段（duàn）導管（guǎn）長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量（liàng）長度一般約為（wéi）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整為相等的速度。

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（péng）脹，而且脹至（zhì）比導管直徑還要大。當流出速度恒定時（shí），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（yǒu）一（yī）種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速（sù）率越大，流（liú）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（gōng）成（chéng）型中往（wǎng）往采用改進成型口模和將流量（liàng）控製在一定（dìng）範圍內來解決。為了分析流體（tǐ）在穩定流動時的速（sù）度分布，對於符合指（zhǐ）數函數方程（chéng）式的非牛頓流體和（hé）牛頓流體。

二、注射成型中的流動（dòng）狀態分析

注射成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋（xuán）轉螺杆與料筒之間進行輸送（sòng）、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的（de）端部。第II區段是儲存在料（liào）筒端部的塑（sù）料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具（jù）的主（zhǔ）流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區（qū）段的特點是各段流道（dào）長徑比（bǐ）較大，截麵一（yī）般具有簡單的幾何形狀（zhuàng）。注射過程中塑料熔體流動的三個區（qū）段流體基本（běn）上（shàng）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（qiāng）過程中（zhōng）的流（liú）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（xiàng）遷移理（lǐ）論、不穩定導熱等（děng）方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在（zài）第II區段的流動要經過（guò）多種截麵形狀的流道（dào），這裏阻力變化複雜，壓力損失大（dà），且模（mó）具中的主流道（dào）、分流道和澆口的溫度（dù）隨時（shí）間而變（biàn）化，溫（wēn）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（sù）料熔體流經澆口時狀態的分析。

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，再配合其他各種條件，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（lǜ）範圍即（jí）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（jī）Wh的範圍。由於注射機的規格（gé）已根據（jù）塑件體積選（xuǎn）定，注射速率為已知值（zhí），也（yě）即理想的qv值（zhí）已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍（wéi）即澆口可求出澆（jiāo）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（cān）數也（yě）隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時（shí），則澆口入口處的壓力p1,保（bǎo）持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆（jiāo）口的阻力減（jiǎn）小，也就使澆口入口與出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速（sù）增大，這就增大了q,值。反映到注射（shè）螺杆上，螺杆向（xiàng）前推進的速度加快，也即注射速度（dù）加快（kuài），所以，縮短澆（jiāo）口（kǒu）長度，在不（bú）增大澆口（kǒu）斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的（de）流速提高，也（yě）即（jí）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（dùn）流體（tǐ）的表觀黏度與剪（jiǎn）切速率（lǜ）有關（guān）。又短澆口可以不被固（gù）封，可保持常開。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 增大澆口斷麵有（yǒu）利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是（shì），澆口截麵增大（dà）了，熔體在（zài）澆口中的流速減慢，熔體的表觀（guān）黏度相應增高。所以，澆口截麵（miàn）的增大有（yǒu）個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增（zēng）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（cùn）並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，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，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表（biǎo）觀黏度越小，越（yuè）容易注（zhù）射。東莞市馬馳科注（zhù）塑（sù）加工廠 采用（yòng）小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪（jiǎn）切速率相（xiàng）應也極大，表觀黏度（dù）很低。另外，由於熔體高速流經（jīng）小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局（jú）部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到（dào）極限值（zhí）時，剪切（qiē）速率與表（biǎo）觀黏度失（shī）去了依存（cún）關係，稱（chēng）為失去了（le）“剪切（qiē）速率效（xiào）應”。超過此極限（xiàn）值（zhí）時（shí），剪切速率再增加，表觀黏度（dù）不再降低（dī）。此（cǐ）時澆口的斷麵就是點澆（jiāo）口的極限尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆口（kǒu）的（de）直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體（tǐ），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（zhǐ）數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值降（jiàng）低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲（qǔ）線（xiàn）上選擇一段（duàn）剪切速率，使它對黏度的影響有（yǒu）利於注射，這是頗為重要的。一般來說（shuō），剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這（zhè）是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表（biǎo）觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注（zhù）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個有效的辦法。降低黏（nián）度的一種辦法是升高溫度，然而（ér）溫度的升高也（yě）有一（yī）定限製，不能高於（yú）聚合物的（de）降解溫度，而且溫度提高將會增加塑（sù）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（tí）高剪切速（sù）率也要受到聚合物的降解或（huò）燒焦（jiāo）以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助（zhù）於小澆口（kǒu）尺（chǐ）寸或增大注射壓力，也即增（zēng）大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充（chōng）模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是（shì）聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的（de）過程，一般為非等溫（wēn）流動。由（yóu）於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。

標題（tí）：聚合物（wù）在成型過程（chéng）中的流動狀態 網址：http://www.xueqin5.com/news/show/id/1652.html

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