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一、聚合物熔體在簡(jiǎn)單截面導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)

在塑料注塑加工成型過程中，經(jīng)常會(huì)遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動(dòng)前進(jìn)，從噴嘴經(jīng)澆注系統(tǒng)注入型腔內(nèi);在擠出注塑加工成型中，熔體被螺桿擠進(jìn)各種口模。研究熔體在流動(dòng)過程中的流量與壓力降的關(guān)系、切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系、物料流速分布、端末效應(yīng)等都是十分重要的，因?yàn)檫@對(duì)控制成型注塑加工工藝、塑件產(chǎn)量和質(zhì)量、設(shè)計(jì)成型設(shè)備和模具都有直接關(guān)系。由于非牛頓流體流變行為的復(fù)雜性，目前只能對(duì)幾種簡(jiǎn)單截面導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)作定量的計(jì)算。

(一)在圓形導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)

為了研究聚合物熔體在圓形導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng)狀況，假設(shè)其流體是在半徑為R的圓形導(dǎo)管內(nèi)作等溫穩(wěn)定的層流運(yùn)動(dòng)，且服從指數(shù)定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長(zhǎng)度為L(zhǎng),當(dāng)它 ≈ 由左向右移動(dòng)時(shí)，在流體層間產(chǎn)生摩擦力，于是，其中壓力降Δp與圓柱體截面的乘積必等于切應(yīng)力т與流體層間接觸面積的乘積，圓形導(dǎo)管中流動(dòng)液體受力分析。由此看出，切應(yīng)力為零，逐漸增大而在管壁處為，據(jù)此進(jìn)一步推導(dǎo)的結(jié)果，又可說明流體在圓形導(dǎo)管內(nèi)的速度分布為什么呈拋物線形。

對(duì)于牛頓流體或非牛頓黏性流體，由于其剪切速率只依賴于所施加的切應(yīng)力，所以，可用下面函數(shù)關(guān)系來表示，對(duì)于牛頓流體，由于牛頓黏性定律可以看為指數(shù)方程式r=Ky”中n=1時(shí)的特例，此時(shí)牛頓黏度η=ド，故也可得出相應(yīng)的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計(jì)算公式。線幾何形狀相似，只是沿 軸作上下平行移動(dòng)而已，因而K'和n可相應(yīng)視作另一個(gè)稠度和流動(dòng)行為指數(shù)，也稱表觀稠度與表觀流動(dòng)行為指數(shù)。

(二)在扁形導(dǎo)槽內(nèi)的流動(dòng)

當(dāng)塑料熔體在等溫條件下經(jīng)扁形導(dǎo)槽作穩(wěn)定層流運(yùn)動(dòng)時(shí)。在扁形導(dǎo)槽內(nèi)取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個(gè)單位長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為L(zhǎng).假定扁槽上下兩面為無限寬平行面(扁槽寬度W應(yīng)大于扁槽上下 平行面距離2B的20倍，此時(shí)扁槽兩側(cè)壁對(duì)流速 的減緩作用可忽略不計(jì))，根據(jù)力的平衡，得也就成為牛頓流體的流動(dòng)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(yīng)與速度分布

如前所述，在推導(dǎo)流體在各種截面流道內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)方程式時(shí)，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動(dòng)屬穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，切應(yīng)力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導(dǎo)管內(nèi)的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對(duì)牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當(dāng)流體由儲(chǔ)槽、大管進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)時(shí)就不屬于穩(wěn)定流動(dòng)，流 體各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。只有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進(jìn)入導(dǎo)管后須經(jīng)一定距離，穩(wěn)定狀態(tài)方能形成，實(shí)驗(yàn)測(cè)定，流體在此段內(nèi)的壓力降總是比用式算出的大。這是因?yàn)榫酆衔锶垠w在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生彈性變形和速度調(diào)整消耗一部分的結(jié)果。

這種入口損耗曾有人設(shè)想為相當(dāng)于一段導(dǎo)管所引起的損耗，事實(shí)上這一段導(dǎo)管長(zhǎng)度并不存在，因而稱為“虛構(gòu)長(zhǎng)度”或“當(dāng)量長(zhǎng)度”。當(dāng)量長(zhǎng)度的長(zhǎng)短隨具體條件而改變，實(shí)驗(yàn)證明，聚合物熔體的當(dāng)量長(zhǎng)度一般約為導(dǎo)管半徑的6倍，在此區(qū)域內(nèi)，料流已經(jīng)不受導(dǎo)管約束，料流各點(diǎn)速度在此重新調(diào)整為相等的速度。

另外，在出口區(qū)，假塑性流體繼收縮之后由于彈性恢復(fù)又出現(xiàn)膨脹，而且脹至比導(dǎo)管直徑還要大。當(dāng)流出速度恒定時(shí)，導(dǎo)管越短，膨脹越嚴(yán)重，可達(dá)一倍之多。除上述入口與出口端末效應(yīng)外，還有一種現(xiàn)象，即當(dāng)剪切速率高達(dá)一定值時(shí)，流出物表面呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現(xiàn)象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進(jìn)成型口模和將流量控制在一定范圍內(nèi)來解決。為了分析流體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的速度分布，對(duì)于符合指數(shù)函數(shù)方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動(dòng)狀態(tài)分析

注射成型中的流動(dòng)過程，可以分成三個(gè)區(qū)段。第I區(qū)段是塑料物料在注射機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)螺桿與料筒之間進(jìn)行輸送、壓縮、熔融塑化，并將塑化好的熔體儲(chǔ)存在料筒的端部。第II區(qū)段是儲(chǔ)存在料筒端部的塑料熔體受螺桿的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內(nèi)。這一區(qū)段的特點(diǎn)是各段流道長(zhǎng)徑比較大，截面一般具有簡(jiǎn)單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動(dòng)的三個(gè)區(qū)段流體基本上不發(fā)生物理、化學(xué)變化。第II區(qū)段是塑料熔體經(jīng)澆口射入型腔過程中的流動(dòng)、相變及固化。這一區(qū)段完全在模具內(nèi)完成，過程非常復(fù)雜，涉及三維流動(dòng)、相遷移理論、不穩(wěn)定導(dǎo)熱等方面的知識(shí)。

(一)流體在流道中的狀態(tài)

注射成型中，流體在第II區(qū)段的流動(dòng)要經(jīng)過多種截面形狀的流道，這里阻力變化復(fù)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(shí)間而變化，溫度場(chǎng)不穩(wěn)定。盡管如此，仍可對(duì)其分別加以分析。這里，重要的是對(duì)塑料熔體流經(jīng)澆口時(shí)狀態(tài)的分析。

注射成型的基本要求是根據(jù)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(chǎn)出外觀和內(nèi)部質(zhì)量均好的注射塑件。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由于注射機(jī)的規(guī)格已根據(jù)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(jù)表觀剪切速率范圍即澆口可求出澆口截面尺寸的范圍。也即求出R 的范圍和寬厚積Wh的范圍。由于注射機(jī)的規(guī)格已根據(jù)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(jù)表觀剪切速率范圍即澆口可求出澆口截面尺寸的范圍。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(gè)參數(shù)，其他參數(shù)也隨之而變。下面分別進(jìn)行分析。

(1)澆口長(zhǎng)度L 當(dāng)注射壓力保持恒定時(shí)，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長(zhǎng)度L,這就使熔體流經(jīng)澆口的阻力減小，也就使?jié)部谌肟谂c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。反映到注射螺桿上，螺桿向前推進(jìn)的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長(zhǎng)度，在不增大澆口斷面的情況下，就能提高注射速率。同時(shí)，由于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(yīng)降低，這是由于非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有關(guān)。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由于以上理由，設(shè)計(jì)澆口長(zhǎng)度L時(shí)，總是取值。

(2)澆口斷面尺寸 增大澆口斷面有利于qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長(zhǎng)。但是，澆口截面增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應(yīng)增高。所以，澆口截面的增大有個(gè)極限值，這是大澆口的上限。超過此值時(shí)，再增大截面，由于表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷面尺寸并非越大越好。相反，點(diǎn)澆口之所以成功，是因?yàn)榻^大多數(shù)塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數(shù)，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小，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面很小，即R很小，熔體流經(jīng)小澆口時(shí)流速極大，剪切速率相應(yīng)也極大，表觀黏度很低。另外，由于熔體高速流經(jīng)小澆口，部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利于降低熔體的表觀黏度。但是，當(dāng)剪切速率提高到極限值時(shí)，剪切速率與表觀黏度失去了依存關(guān)系，稱為失去了“剪切速率效應(yīng)”。超過此極限值時(shí)，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時(shí)澆口的斷面就是點(diǎn)澆口的極限尺寸。對(duì)多數(shù)塑料來說，點(diǎn)澆口的直徑不大于 1.5mm,對(duì)較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因?yàn)榇蠖鄶?shù)塑料熔體都屬于非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數(shù)式可用式表示。即n.與y是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，不是線型關(guān)系。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇一段剪切速率，使它對(duì)黏度的影響有利于注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達(dá)到的。

(4)表觀黏度 當(dāng)模具充不滿時(shí)，除增大注射量和注射速度，加大流道系統(tǒng)尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個(gè)有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限制，不能高于聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會(huì)增加塑件在模內(nèi)的冷卻時(shí)間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限制。提高剪切速率可借助于小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應(yīng)力或兩者兼?zhèn)洹?/p>

(二)流體在充模過程中的狀態(tài)

注射成型的第皿區(qū)段是聚合物熔體經(jīng)澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般為非等溫流動(dòng)。由于這一注塑加工過程的分析過于復(fù)雜，在這里不作進(jìn)一步的闡述。