一、聚合物熔體在簡單截麵導管（guǎn）內的（de）流動

在（zài）塑（sù）料注塑加工成型過程中（zhōng），經常會遇到聚合物（wù）熔體在各種幾何形（xíng）狀（zhuàng）導管內流動的情況。如（rú）在注射過程中，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（jiā）工成型（xíng）中，熔（róng）體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流（liú）動過程（chéng）中的流量與壓（yā）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、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目（mù）前隻能對幾（jǐ）種簡單截麵導（dǎo）管（guǎn）內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（liú）體是在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且（qiě）服從指數定律（lǜ）。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當（dāng）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Δp與圓柱（zhù）體截麵的乘積必等於切應力т與流（liú）體層（céng）間接觸麵積的乘（chéng）積，圓形導管中流動液體（tǐ）受力分析。由此看出，切應力（lì）為零，逐漸增大而在管（guǎn）壁處為（wéi），據此進一（yī）步推導的結果，又可說明流體在圓形（xíng）導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對（duì）於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於（yú）其剪切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數（shù）關係來表示，對於牛頓流（liú）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，此時牛頓黏度η=ド，故也可（kě）得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率（lǜ）的計算公式。線（xiàn）幾（jǐ）何形狀相似，隻是沿 軸（zhóu）作上下平行移動而（ér）已，因而K'和n可相應視作另一個（gè）稠度和流動（dòng）行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行（háng）為（wéi）指數。

(二)在扁形導槽內的（de）流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層（céng）流（liú）運動時。在扁形導槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁（biǎn）槽上下兩麵為無（wú）限寬平行麵(扁槽寬度W應大（dà）於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略（luè）不計)，根（gēn）據力（lì）的平衡（héng），得也就成為牛頓流體（tǐ）的流動行為，即（jí）為牛頓（dùn）黏性定律方程式，此（cǐ）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（tǐ）在各種截麵流道內流（liú）動（dòng）的流動方程式時，不論牛（niú）頓流體或非牛頓流體，都假定（dìng）流動屬穩定流動狀態（tài），切應力（lì）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，向管壁逐漸減少，而在管（guǎn）壁（bì）處為 零。對（duì）牛頓流（liú）體（tǐ）來說，這（zhè）種速（sù）度分布 呈拋物線形;但是（shì），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（dà）小和方向上都隨時發生變化，因而其速度（dù）分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層液層處，其速度（dù）驟降，至管壁處為零，流體在進入導（dǎo）管後須經一定距離，穩定狀（zhuàng）態（tài）方能形成，實驗測（cè）定，流體在此（cǐ）段內的壓力（lì）降總（zǒng）是（shì）比用式算出（chū）的大。這是因為（wéi）聚合（hé）物（wù）熔體在此（cǐ）區域內產生彈性變形和速度調整（zhěng）消耗一部分的結果。

這種入口損耗（hào）曾有（yǒu）人設想為相當（dāng）於一（yī）段導（dǎo）管所引起的損耗，事實（shí）上這一段導管長度並不存在，因而（ér）稱（chēng）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，聚合物熔體的當量長度一般約為導管（guǎn）半（bàn）徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約（yuē）束，料流各點速度（dù）在此重新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假（jiǎ）塑性流（liú）體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至（zhì）比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多（duō）。除上述入口與（yǔ）出（chū）口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速（sù）率高達一定值（zhí）時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率（lǜ）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（jiā）工成型中往往采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍（wéi）內來解決。為了分析流體在（zài）穩定流動（dòng）時的速（sù）度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射（shè）成型中的（de）流（liú）動狀態分析

注射成型中的（de）流動過程，可以分（fèn）成三個區段。第I區段（duàn）是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行（háng）輸（shū）送、壓縮、熔（róng）融塑化，並（bìng）將塑化好的熔體儲存在料筒的端（duān）部。第（dì）II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推（tuī）壓通過噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射（shè）入型腔內。這一區段（duàn）的特點是（shì）各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾（jǐ）何形（xíng）狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上（shàng）不發生物理、化學變化。第II區段是（shì）塑料熔體經澆口（kǒu）射入型腔過程中的（de）流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常（cháng）複雜，涉（shè）及三維流（liú）動、相遷移理論、不穩定導熱等（děng）方麵的知識。

(一)流體在流（liú）道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體在第II區段的流動要經過多種截麵（miàn）形狀的流道，這裏阻（zǔ）力變化複雜，壓力損（sǔn）失（shī）大，且模具中的主流道（dào）、分流道和澆口（kǒu）的溫度隨時（shí）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（chóng）要的（de）是對塑料（liào）熔體流經澆口時狀態的（de）分（fèn）析（xī）。

注射成型的基本要（yào）求是（shì）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（pèi）合其他各種條件，效率（lǜ）地生產出外（wài）觀和內（nèi）部（bù）質量均好的注射塑件。根據（jù）實（shí）踐經驗，由於注射（shè）機的規格已（yǐ）根（gēn）據（jù）塑件（jiàn）體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已（yǐ）確定，因此，根據表觀剪（jiǎn）切速率範圍即澆口可（kě）求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求（qiú）出R 的範圍和寬厚積（jī）Wh的範圍。由於注射（shè）機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即（jí）理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出（chū）澆口截（jié）麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們（men）之間不是孤立的，而是相互有影響的（de），改變了某一個參數，其他參數也（yě）隨之（zhī）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，則（zé）澆口（kǒu）入口處的（de）壓力p1,保持不變，如（rú）果改短（duǎn）澆（jiāo）口長度L,這就（jiù）使熔體流經澆口的阻（zǔ）力減小，也就使澆口入口與（yǔ）出口之間的（de）壓力降減小，熔體在（zài）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（qián）推進的速度加快，也即注射速度（dù）加（jiā）快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷（duàn）麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口（kǒu）中的流速提高，也即注射速（sù）度提高，熔（róng）體的表觀黏度也相應降低（dī），這是由於非牛（niú）頓流體的（de）表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（kǒu）斷麵有利（lì）於qv值的增大（dà），qv值隨R4或Wh3成（chéng）比例增長。但是，澆口截麵（miàn）增大（dà）了，熔體在（zài）澆口中的流速減慢，熔體（tǐ）的表觀黏度（dù）相應增高。所以，澆口截麵的增（zēng）大有個極限值，這是大澆口的上限（xiàn）。超過此值時，再增大截麵（miàn），由於表觀黏度（dù）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，點澆口之（zhī）所（suǒ）以成功（gōng），是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函（hán）數，熔體流速越（yuè）快（kuài），即qv越大（dà），它的剪切速率越大（dà），因而表觀（guān）黏（nián）度越小，越容易注射（shè）。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著（zhe）斷麵很（hěn）小，即R很小，熔體流經小澆口時流速（sù）極大，剪（jiǎn）切速率相（xiàng）應也極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉（zhuǎn）變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限（xiàn）值時，剪切速率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失（shī）去了（le）“剪切速率效應”。超過此極（jí）限值時，剪切速率再增加（jiā），表觀黏度不再降（jiàng）低。此時澆口的斷麵就是點澆口（kǒu）的極（jí）限尺寸。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)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑（sù）料熔體都屬於（yú）非牛頓（dùn）假塑性（xìng）流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低（dī）還要少。所以（yǐ），東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選（xuǎn）擇一段剪切速率（lǜ），使它對黏度的影響（xiǎng）有利（lì）於注射，這是頗為重要（yào）的（de）。一（yī）般來說，剪切（qiē）速率（lǜ）取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏（nián）度 當模具充不（bú）滿時，除增大注射量和注射（shè）速度，加（jiā）大流道係統尺寸以便（biàn）將流（liú）量傳送至（zhì）澆口外，降低（dī）塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法（fǎ）。降低黏度的一種辦法是升（shēng）高溫度，然而溫度的升高也有（yǒu）一定限（xiàn）製，不能高（gāo）於（yú）聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加（jiā）塑（sù）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（gāo）剪切速率也要（yào）受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借（jiè）助於小澆口（kǒu）尺寸或增大注射壓力，也即增大切（qiē）應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區（qū）段是聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即（jí）充模過程。這是一個複雜的過程，一（yī）般為非等溫流動。由於（yú）這一注（zhù）塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作（zuò）進一步的（de）闡（chǎn）述。

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