一、聚合（hé）物熔體在簡單截（jié）麵導管內的流（liú）動

在塑料注塑加工成（chéng）型過程中，經常會遇到聚合物熔體在（zài）各種幾何形狀導管內流動的情況（kuàng）。如在注射過程中，熔體被柱塞推動（dòng）前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆（gǎn）擠進各種（zhǒng）口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓（yā）力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分布（bù）、端末效應等都是十分重要的，因為這對（duì）控製成型注（zhù）塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成（chéng）型設備和模具（jù）都有直（zhí）接關係。由於非牛頓流（liú）體流變行（háng）為的複雜性，目前（qián）隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流（liú）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（wéi）R的（de）圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從（cóng）指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單（dān）元，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左（zuǒ）向右移動時，在流體層間產生摩（mó）擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的（de）乘積必等於（yú）切應力т與流體層間接觸麵（miàn）積的乘積，圓形（xíng）導管中流動（dòng）液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此（cǐ）進一步推（tuī）導的結果，又可（kě）說明流體在圓形導管內（nèi）的速度分布為什麽呈（chéng）拋物線形。

對於牛頓流體（tǐ）或非牛（niú）頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流（liú）體，由（yóu）於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時（shí）的特例，此（cǐ）時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公（gōng）式。線幾何形狀相似，隻（zhī）是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度（dù）與表觀（guān）流動行為指數。

(二)在扁（biǎn）形導（dǎo）槽內的流動

當塑料熔體在等（děng）溫條件下經扁形導槽（cáo）作穩定層流運（yùn）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（wéi）L.假定扁槽上下兩麵為無限寬（kuān）平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上（shàng）下 平行麵距離2B的（de）20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽（hū）略不計)，根據力的平（píng）衡，得（dé）也就成為（wéi）牛頓流體的流動行（háng）為（wéi），即為牛頓黏性定（dìng）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（liú）動屬穩定流動狀態，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（guǎn）壁逐漸減少，而在（zài）管壁處為 零。對牛（niú）頓流體來說，這種（zhǒng）速度分布 呈拋物線形;但（dàn）是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和（hé）方向上都隨時發生變化，因而其速度分（fèn）布幾（jǐ）乎平坦而成一直線（xiàn）。隻（zhī）有（yǒu）貼近（jìn）管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須（xū）經一定距離（lí），穩定狀態方能形（xíng）成，實驗測定，流體在此段內的壓力降（jiàng）總是比用式算出的大。這是因為聚合物（wù）熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部（bù）分的結果。

這（zhè）種入口損耗曾有人設（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（bìng）不存在（zài），因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體（tǐ）條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的（de）當量長度一般約（yuē）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（sù）度在此重新（xīn）調整為相等的速度。

另外，在出口區（qū），假塑性流體繼收縮之後由於（yú）彈性恢複又出（chū）現（xiàn）膨脹，而且脹至比導管直徑還要（yào）大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入（rù）口與（yǔ）出（chū）口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率（lǜ）高達一定值時，流出物表麵呈粗糙（cāo）狀，剪切速率越大，流出物越（yuè）粗糙，甚至不能成（chéng）流，很快（kuài）斷（duàn）裂，這種（zhǒng）現象（xiàng）稱為“熔體破（pò）碎”。在擠出注（zhù）塑（sù）加工成型中（zhōng）往（wǎng）往采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍內（nèi）來解決。為了（le）分析流體在穩定（dìng）流動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體（tǐ）和牛頓流體。

二、注射成型（xíng）中（zhōng）的流動狀態分析

注射成型中的流動（dòng）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（gǎn）與料筒之間進行輸送、壓（yā）縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是（shì）儲（chǔ）存在料筒端部的塑（sù）料熔體受螺杆的向前推（tuī）壓通過噴（pēn）嘴、模具（jù）的主流道（dào）、分流道和澆口，開始（shǐ）射入型腔內。這一（yī）區段（duàn）的特點是各段（duàn）流道長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔（róng）體流動的三個（gè）區段流體基本（běn）上不發生物理、化學變（biàn）化。第II區段是塑（sù）料（liào）熔體經（jīng）澆（jiāo）口射入型腔過程中的流動、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（yī）)流體在流道中的狀（zhuàng）態

注射（shè）成（chéng）型中，流（liú）體（tǐ）在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓（yā）力損失大，且模具中的主流（liú）道（dào）、分流道和澆口（kǒu）的（de）溫度隨時間而變化，溫度場（chǎng）不穩定。盡管（guǎn）如此，仍可（kě）對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔（róng）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（qiāng）體積（jī）將足量的塑料熔（róng）體（tǐ）以較快（kuài）的速度注入型（xíng）腔，再（zài）配合其他各種條件（jiàn），效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據（jù）實踐（jiàn）經驗，由於注射機的規（guī）格已根據塑件體積選定，注射速（sù）率為（wéi）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（kě）求出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。也即求出（chū）R 的範圍和寬厚（hòu）積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，也即理想（xiǎng）的qv值已確定，因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互（hù）有影響（xiǎng）的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分（fèn）別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持（chí）恒定時，則澆口入口處的壓（yā）力p1,保（bǎo）持不變，如果改短（duǎn）澆口長度L,這就使熔體流經（jīng）澆口的阻（zǔ）力減小，也就使澆口入（rù）口與出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺（luó）杆向前推進（jìn）的速度加快，也即注射速度加（jiā）快，所以，縮短（duǎn）澆口長度，在不增大澆（jiāo）口斷麵的情（qíng）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（yě）即注射速度提高，熔體的（de）表觀黏度也相（xiàng）應降（jiàng）低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取（qǔ）值（zhí）。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口（kǒu）斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成（chéng）比例增長。但是（shì），澆口（kǒu）截麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流速減慢，熔體的表（biǎo）觀黏度（dù）相應增高。所以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值（zhí），這是大澆口的上限。超過此值時，再增大（dà）截麵，由於表觀黏（nián）度的增大，反而使qv值減（jiǎn）小。所以，澆口斷麵尺寸並（bìng）非越大越好。相反，點澆口（kǒu）之所以成（chéng）功，是因為絕大多數（shù）塑料熔（róng）體的表觀黏（nián）度是（shì）剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越（yuè）大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞（wǎn）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（xiǎo），熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應（yīng）也極大，表（biǎo）觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流（liú）經小澆口，部分轉（zhuǎn）變為熱能，遂提高了澆口處（chù）的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切（qiē）速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了（le）依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極（jí）限值時，剪切速率再增加，表（biǎo）觀黏度不再降低。此時（shí）澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。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（xuǎn）擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式（shì）表示（shì）。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果（guǒ）剪切速率再高，表觀黏度值（zhí）降（jiàng）低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇一段剪（jiǎn）切速率，使它對黏度的影響有利於注（zhù）射，這是頗為重要（yào）的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影（yǐng）響小。而（ér）且盡可能高（gāo），這是大尺寸澆口的模具所難以達到（dào）的（de）。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射（shè）量和注射速度，加大流道係統尺寸以便（biàn）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。降低黏度的（de）一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高（gāo）於聚合物的（de）降解溫度，而且溫度提高（gāo）將（jiāng）會增加塑件在模內（nèi）的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是提高（gāo）剪切速率，提高（gāo）剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及（jí）“熔（róng）體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓（yā）力（lì），也（yě）即增大切應力或兩者（zhě）兼（jiān）備。

(二)流（liú）體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過程（chéng），即充模過程。這是一個複雜的過程，一般（bān）為非等溫流動（dòng）。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（bù）的闡述。

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