一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑（sù）料（liào）注塑加（jiā）工成型過程中，經常會遇（yù）到聚合物熔體在各種幾何形（xíng）狀導（dǎo）管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前（qián）進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出（chū）注（zhù）塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力（lì）降的關係、切應（yīng）力與剪切速率的關係、物（wù）料（liào）流速分布、端末效應等都是十分重（chóng）要的，因為這對控製成型注塑加工（gōng）工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於（yú）非（fēi）牛頓流體流（liú）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形導管內的流動狀況，假設其流體是在半（bàn）徑為（wéi）R的圓形導（dǎo）管內作等溫（wēn）穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其（qí）長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力（lì），於是，其中壓力降（jiàng）Δp與圓柱體截麵（miàn）的乘積必等於切應力（lì）т與流體層間接觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流動（dòng）液體受力分析。由此看出，切應力為（wéi）零，逐漸增大而（ér）在管壁處為，據此進一步推導的結（jié）果，又可說明流體（tǐ）在（zài）圓（yuán）形導管內的速度（dù）分布為什麽（me）呈拋物線形。

對於（yú）牛（niú）頓流體或（huò）非（fēi）牛（niú）頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴（lài）於所施加的切（qiē）應力，所以，可（kě）用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於（yú）牛頓黏性定律（lǜ）可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度（dù）η=ド，故也可得出相應的（de）流速、體積流量及管（guǎn）壁處剪（jiǎn）切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻（zhī）是（shì）沿 軸作上下平行移（yí）動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度（dù）和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導（dǎo）槽（cáo）作穩定層流運動時。在（zài）扁形（xíng）導槽內（nèi）取一矩形單元體，其厚（hòu）度為2y,寬（kuān）度取1個單位長度，長（zhǎng）度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵（miàn）距離2B的20倍，此時扁（biǎn）槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流動行為（wéi），即（jí）為牛頓黏性定律方（fāng）程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末（mò）效應與速度分布

如前所（suǒ）述，在推導流體（tǐ）在（zài）各種截麵流道內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（dìng）流動屬（shǔ）穩（wěn）定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁（bì）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（tǐ）來說，這種速度分布 呈拋（pāo）物線（xiàn）形;但是，當（dāng）流體由儲槽、大管進入導管（guǎn）內時（shí）就不屬於穩定流動，流 體（tǐ）各質點的運動速度在大小和方向上都隨（suí）時發生變化，因而其速（sù）度分布幾（jǐ）乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁（bì）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（xíng）成，實驗測定，流體在此段內（nèi）的壓力降總是（shì）比（bǐ）用式算出的（de）大。這是因為聚合物熔（róng）體在此區域內產生彈性變形和（hé）速度（dù）調整消耗一部分的結（jié）果。

這種入口損耗曾有人設想（xiǎng）為相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一段導管長度並（bìng）不存在，因而稱為“虛構（gòu）長度”或“當量長度”。當（dāng）量長度（dù）的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般約為導管半徑（jìng）的6倍，在此區域內，料流已經不（bú）受導管約束，料流各點速度在此重新（xīn）調整為相等的（de）速度。

另外（wài），在出口區，假塑性流（liú）體繼收（shōu）縮之後由於彈性恢複又出現（xiàn）膨脹，而且（qiě）脹至比導管（guǎn）直徑還要大。當流出速度恒定時，導（dǎo）管越短，膨脹越嚴（yán）重，可達一倍（bèi）之多。除上述入口與出口端（duān）末效應外，還有一種（zhǒng）現象，即當剪切速率高達（dá）一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物（wù）越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象（xiàng）稱為“熔體（tǐ）破碎”。在擠出（chū）注塑加（jiā）工成型中往往采用改進（jìn）成型口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符合指數函（hán）數方程式的非牛頓流體（tǐ）和牛頓流體。

二（èr）、注射成（chéng）型中的（de）流動狀態分析

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轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑（sù）化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第（dì）II區段是儲存在料筒端部的塑料（liào）熔體受（shòu）螺杆的（de）向前推壓通（tōng）過噴嘴、模具的（de）主流道、分流（liú）道和澆口，開始射（shè）入型腔內。這一區段的特點是各（gè）段流道長徑比較大，截麵一般（bān）具有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流（liú）動的三（sān）個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射（shè）入型腔過程中的流動、相變（biàn）及（jí）固化（huà）。這（zhè）一區（qū）段完全在模具內（nèi）完成（chéng），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)流體在流道中的狀態

注（zhù）射成型中（zhōng），流體（tǐ）在第II區段的流動（dòng）要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變（biàn）化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、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，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑（sù）料熔體流（liú）經澆口時狀態的分析。

注（zhù）射成型的基本要求是（shì）根據型腔（qiāng）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，效率地生產出外觀和內部質量均好的（de）注（zhù）射塑件。根據實踐經驗，由於（yú）注射機（jī）的規格已根據塑件體積選定，注射速（sù）率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆口可求出澆口（kǒu）截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射（shè）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（sù）率範（fàn）圍即澆口可求出澆口（kǒu）截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的（de），而是相互有影響（xiǎng）的，改變了某一（yī）個參數，其他參數也隨（suí）之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持（chí）恒（héng）定（dìng）時，則（zé）澆口入口處的壓力p1,保持不變（biàn），如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就（jiù）使澆口入口與出口之間的（de）壓力降減小（xiǎo），熔（róng）體在澆口中的（de）流速增大，這就增大了q,值。反映到（dào）注射螺杆上（shàng），螺（luó）杆向前（qián）推進的速度加（jiā）快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口（kǒu）長度，在不增大澆口（kǒu）斷（duàn）麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注（zhù）射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低（dī），這是由於非牛頓流體的表（biǎo）觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於（yú）以上理由，設計澆口長度L時（shí），總是取值。

(2)澆口斷麵尺（chǐ）寸 增大（dà）澆口斷麵有利（lì）於qv值（zhí）的增大，qv值隨R4或Wh3成（chéng）比例增長（zhǎng）。但是，澆口（kǒu）截麵（miàn）增大了，熔體在澆口（kǒu）中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以（yǐ），澆口截麵的增大有個極限（xiàn）值，這是大（dà）澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增（zēng）大，反而使qv值減小（xiǎo）。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相（xiàng）反，點澆（jiāo）口之（zhī）所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏（nián）度是剪切速率（lǜ）的函（hán）數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大（dà），因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市（shì）馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極（jí）大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂（suí）提高了澆口處的局部溫度，也有（yǒu）利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提（tí）高到（dào）極（jí）限（xiàn）值（zhí）時，剪（jiǎn）切速率與表觀黏度失去了依存（cún）關係（xì），稱為失去了“剪切速（sù）率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降（jiàng）低（dī）。此時澆口的（de）斷麵就是點澆口的極限（xiàn）尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）口的（de）直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合（hé）理的剪切速率（lǜ） 因為（wéi）大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體（tǐ），其（qí）表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率再（zài）高，表觀黏度（dù）值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上（shàng）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（yào）的。一般來說，剪切（qiē）速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這（zhè）是（shì）大尺寸澆口的（de）模（mó）具所難以達到的。

(4)表（biǎo）觀黏度 當模（mó）具充（chōng）不滿時，除增大注射量和注（zhù）射速度，加大流道係統尺（chǐ）寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀（guān）黏度也是一（yī）個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高（gāo）溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高（gāo）將會增加塑件在模內的冷（lěng）卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切（qiē）速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製（zhì）。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，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（chéng）型的第皿區段是聚合（hé）物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即（jí）充模（mó）過程。這（zhè）是一個複（fù）雜的過程，一般為非等溫流動。由於（yú）這一注塑加（jiā）工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡（chǎn）述（shù）。

標題：聚合物在成型（xíng）過程中（zhōng）的流動狀態 網址：http://www.gzkuihou.com/news/show/id/1652.html

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