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塑料流动研究
熔融的热塑性塑料呈现黏弹性行为
(viscoelastic
behavior)
，亦即黏性流
体与弹性固体的流动特性组合
。
当黏性流体流动时，
部分驱动能量将会转变成黏
滞热而消失；然而，弹性固体变形时，会将推动变形的能量储存起来。日常生活
中，水的流动就是典型的黏性流体，橡胶的变形属于弹性体。
除了这两种的材料流动行为，还有剪切和拉伸两种流动变形，如图
1
(a)
与
(b)
。在射出成形
的充填阶段，热塑性塑料之熔胶的流动以剪切流动为主，如图
1(c)
< br>所示，
材料的每一层元素之间具有相对滑动。
另外，
当熔胶流经一个尺寸突
然变化的区域，如图
1(d)
，拉伸流动就变得重要多了。
图
1
(a)
剪切流动；
(b)
拉伸流动；<
/p>
(c)
模穴内的剪切流动
(d)
充填模穴内的拉伸流动
热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理想弹性固体之特性，
呈
现黏
弹性行为。在特定的条件下，熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变形；然而，
一旦应力解除，熔胶会像弹性固体一样恢复原形，如图
2
(b)
与
(c)
所示。此黏
弹性行为是因为聚合物在熔融状态，
分子量呈现
杂乱卷曲型态，
当受到外力作用
时，
将
允许分子链移动或滑动。
然而，
相互纠缠的聚合物分子链使系统
于施加外
力或解除外力时表现出弹性固体般的行为。
譬如说，<
/p>
在解除应力后，
分子链会承
受一恢复应力
，
使分子链回到杂乱卷曲的平衡状态。
因为聚合物系统内仍有分
子
链的交缠，此恢复应力可能不是立即发生作用。
图
2
(a)
理想的黏性液体在应力作用下表现出连续的变形；
(b)
理想的弹性固体承受外力会立刻变形，
于外力解除后完全恢复原形；
(c)
热塑性塑料之熔胶就像液体一样，在剪切应力作用下而连续变形。
然而，一旦应力解除
，它就像弹性固体一般，部分变形会恢复原形。
1.
熔胶剪切黏度
熔胶剪切黏度
(shear viscosity)
是塑料抵抗剪切流动的阻力，它是剪切应
力与剪变率的比值，参阅图
3
。
。聚合物熔胶因长分子链接构而具有高黏
度，通
常的黏度范围介于
2~3000
Pa
（水为
10
-1
Pa
，玻璃为
10
20
Pa
）
。
图
3
以简易之剪切流动说明聚合物熔胶黏度的定义
水是典型的牛顿流体，
牛顿流体的黏度与温度有关系，
而与剪变率无关。
但
是，
大多数聚合物
熔胶属于非牛顿流体，
其黏度不仅与温度有关，
也与剪切应变<
/p>
率有关。聚合物变形时，部份分子不再纠缠，分子链之间可以相互滑动，而且沿
著作用力方向配向，
结果，
使得聚合物的流动阻力
随着变形而降低，
此称为
剪变
致稀行为
（
shearing-thinning behavior<
/p>
）
，它表示聚合物承受高剪变率时黏度
会
降低，
也提供了聚合物熔胶加工便利性。
例如，
以两倍压力推动开放管线内的
水，水的流动速率也倍增。但是，以两倍压力推动
开放管线内的聚合物熔胶，其
流动速率可能根据使用材料而增加
2~15
倍。
介绍了剪切黏度的观念，
再来看看射
出成形时模穴内的剪变率分布。
一般而
言，材料的连接层之间的
相对移动愈快，剪变率也愈高，所以，典型的熔胶流动
速度曲线如图
4
（
a
）
，其在熔胶与模具的界面处具有最高的剪变率；或者，假如
有聚合物凝固层，
在固体与液体界面处具有最高的剪变率。
另一方面，
在塑件中
心层因为对称性流动，
使得材料之间的相对移动趋近
于零，
剪变率也接近零，
如
图
4
（
b
）所示。剪变率
是一项重要的流动参数，因为它会影响熔胶黏度和剪切
热（黏滞热）的大小。射出成形制
程的典型熔胶剪变范围在
10
2
~10
5
1/s
之间。
图
4
（
a
）相对流动元素间运动之典型速度分布曲线；
(
b)
射出成形之充填阶段的剪变率分布图。
< br>聚合物分子链的运动能力随着温度升高而提高，
如图
5<
/p>
所示，
随着剪变率升
高与温度升高，
熔胶黏度会降低，
而分子链运动能力的提升会促进较规则的分子
链排列及降低分子链相互纠缠程度。此外，熔胶黏度也与压力相关，压力愈大，
熔胶愈黏。材料的流变性质将剪切黏度表示为剪变率、温度与压力的函数。
图
5
聚合物黏度与剪变率、温度、及压力的关系
< br>2.
熔胶流动之驱动
--
射出压
力
射出机的射出压力是克服熔胶流动阻力的驱动力。
射出压力推动熔胶进入模
穴以进行充填和保压，熔胶从高压区流向低压区
，就如同水从高处往低处流动。
在射出阶段，
于喷嘴蓄积高压力
以克服聚合物熔胶的流动阻力，
压力沿着流动长
度向聚合物熔胶
波前逐渐降低。
假如模穴有良好的排气，
则最终会在熔胶波前处
达到大气压力。压力分布如图
6
所示。
图
6
压力沿着熔胶输送系统和模穴而降低
模穴入口的压力愈高，导致愈高的压力梯度（单位流动长度之压力降）
。熔
胶流动长度加长，
就必须提高入口压力以产生相同的压力梯度，
以维持聚合物熔
胶速度，如图
7
所示。
图
7
熔胶速度与压力梯度的关系
根据古典流体力学的简化理论，充填熔胶输送系统（竖浇道、
流道和浇口）
和模穴所需的射出压力与使用材料、设计、制程参数等有关系。图
8
显示射出压
力与各参数的函数关系。使用
P
表示射出压力，
n
表示材料常数，大多数聚合物
的
n
值介于
0.15~0.36
之间，
0
.3
是一个适当的近似值，
则熔胶流动在竖浇道、
流
道和圆柱形浇口等圆形管道内所需的射出压力为：
n
?
熔膠黏滯性
??
流動長度
??
容積流動率
?
p
?
3
n
?
1
?
管道半徑
?
熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所
需的射出压力为：
n
?
熔膠黏
滯性
??
流動長度
??
容積流動率
?
p
?
2
n
?
1
?
管道寬度
?
?
管道厚度
?
熔胶的流动速度与流动指数
(Melt Index, MI)
有关，流动指数也称为流导
flow conductance
）
，流动指数是熔胶流动难易的指标。实际上，流动指数是塑<
/p>
件几何形状（例如壁厚，表面特征）及熔胶黏度的函数。流动指数随着肉厚增加
而降低，但是随着熔胶黏度增加而降低，参阅图
9
。
射出成形时，
在特定的成形条件及
塑件肉厚下，
熔胶可以流动的长度将根据
材料的热卡性质与剪切
性质而决定，此性质可以表示为熔胶流动长度，如图
10
所示。
图
8
射出压力与使用材料知黏滞性、流动长度、容积流率和肉厚的函数关系
< br>
图
9
流动指数相对于壁厚与黏度关系
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