一、聚合物熔體在簡單截麵（miàn）導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚（jù）合物熔體在各種幾何形（xíng）狀導管內流動的（de）情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注（zhù）入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被（bèi）螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量（liàng）與壓力（lì）降的關係、切應力與剪（jiǎn）切速率的關係、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、塑件產量和質量、設計成型設備和模（mó）具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截（jié）麵導管（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，假設其流體是在半徑（jìng）為R的圓（yuán）形導管內作等溫穩定的（de）層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流（liú）體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由（yóu）左向右移動時，在流體層（céng）間產生（shēng）摩擦力，於是，其中壓力降（jiàng）Δp與圓柱體（tǐ）截麵的乘積必（bì）等於切（qiē）應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力（lì）分析。由此看出，切應力為（wéi）零，逐漸增大而在管壁處（chù）為，據此進一步推導的（de）結果，又（yòu）可說（shuō）明（míng）流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形（xíng）。

對於牛頓流（liú）體（tǐ）或非牛頓黏性流體，由於其（qí）剪切速率隻依賴於所施加（jiā）的切應力，所以，可（kě）用下（xià）麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由（yóu）於牛頓黏性定律可以看為指數方程式（shì）r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓（dùn）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（qiē）速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作（zuò）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（biǎo）觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形（xíng）導槽內（nèi）的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層（céng）流運動時。在扁形導槽內（nèi）取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單（dān）位長度，長度為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 平行麵距離2B的（de）20倍，此（cǐ）時扁槽兩側壁（bì）對流速 的減緩作用可忽（hū）略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三（sān）)端末效應與速度分布（bù）

如前所述，在推導流體（tǐ）在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛（niú）頓（dùn）流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，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，向管壁（bì）逐漸減少，而（ér）在管壁處為 零。對牛（niú）頓流體來（lái）說，這種速度分布 呈（chéng）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（wěn）定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化（huà），因而其速度分布幾乎（hū）平坦而成一直線（xiàn）。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須經一（yī）定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此（cǐ）段內的壓力降（jiàng）總是比用（yòng）式算出的大。這是（shì）因（yīn）為聚合物熔體在此區域內產生（shēng）彈（dàn）性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種（zhǒng）入口損（sǔn）耗曾有人設想（xiǎng）為相（xiàng）當於一段導管所引起（qǐ）的損耗，事實上（shàng）這一段導（dǎo）管長（zhǎng）度並不存在，因（yīn）而稱為（wéi）“虛構長度”或“當量長度（dù）”。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（dāng）量長度（dù）一般約（yuē）為導管半徑的（de）6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料流（liú）各（gè）點速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在（zài）出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性（xìng）恢複又出現（xiàn）膨脹，而且脹至比導（dǎo）管直徑還要大。當流出速度恒（héng）定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之（zhī）多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流（liú）出物越粗糙，甚至不能成流（liú），很快斷裂，這種現象稱為（wéi）“熔體破碎”。在擠（jǐ）出注塑加工成型中（zhōng）往往采用（yòng）改進成型口模和將流量控製（zhì）在一定範圍內來解決。為了分析流體（tǐ）在穩定流動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓（dùn）流（liú）體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成型（xíng）中的流動過程，可以（yǐ）分（fèn）成三（sān）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（zhī）間進行輸送、壓縮（suō）、熔融塑化，並將（jiāng）塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒（tǒng）端部的塑（sù）料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具（jù）的主流道、分流道和（hé）澆口，開（kāi）始射入型（xíng）腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注（zhù）射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本（běn）上不發生物理、化學（xué）變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型（xíng）腔過程中的流（liú）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（de）狀態

注射成型中，流（liú）體在第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，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度（dù）隨時間而變化，溫度場不（bú）穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流（liú）經澆口時狀態的（de）分析。

注（zhù）射成型的基本（běn）要（yào）求是根據型腔體積將足（zú）量的塑料（liào）熔體以較快的（de）速度注（zhù）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注射塑件。根據實踐經（jīng）驗，由於注射（shè）機的規格已（yǐ）根據塑件體積選定，注（zhù）射速率為（wéi）已知值（zhí），也（yě）即（jí）理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根據表觀剪（jiǎn）切速率範圍即（jí）澆口可求出（chū）澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的（de）範圍和寬厚積Wh的範圍。由於注射機（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，根據表觀剪切速率範圍（wéi）即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是（shì）它們之間不是孤立（lì）的，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而（ér）變。下（xià）麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持恒定時，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（róng）體流經澆口的（de）阻力減小，也就使澆口入口與出口之間的壓力（lì）降減小（xiǎo），熔體在澆口中的流速增大（dà），這就增大了q,值（zhí）。反映到注（zhù）射螺（luó）杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快（kuài），所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情（qíng）況下，就能提（tí）高注射速率。同時（shí），由於熔體在澆口中（zhōng）的流（liú）速提高，也即注射速度提高（gāo），熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有（yǒu）關。又短澆口可以不被固封，可（kě）保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值（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成比例增長。但（dàn）是，澆口截麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流速減慢，熔體的（de）表觀黏度相應增高。所（suǒ）以，澆口截（jié）麵的增大有個極限值，這是大澆口的上（shàng）限。超過此值時，再增大截麵，由（yóu）於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大多（duō）數（shù）塑料熔體的表觀黏度是剪切（qiē）速率的函數，熔體流速越快，即（jí）qv越大，它的（de）剪切速率越大，因而（ér）表（biǎo）觀黏度越小，越容易（yì）注射（shè）。東（dōng）莞市（shì）馬（mǎ）馳科注（zhù）塑加工（gōng）廠 采用小澆口意味（wèi）著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極大（dà），表觀黏度很低（dī）。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱（rè）能，遂提高了澆口處的局（jú）部溫度，也（yě）有利於降低熔體（tǐ）的表觀黏度。但是，當剪切速率提高（gāo）到極限（xiàn）值時，剪切速率與表（biǎo）觀（guān）黏度失（shī）去了依存關（guān）係，稱為失去了“剪（jiǎn）切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再（zài）降低。此時澆口的斷麵（miàn）就（jiù）是點澆口的極限（xiàn）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 因為大多數塑料熔體都屬（shǔ）於非牛頓假塑性流（liú）體，其表觀黏（nián）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。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞（wǎn）市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影響有利於（yú）注（zhù）射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值（zhí），黏度影響小。而且盡可能高（gāo），這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模（mó）具充不滿時，除增大注射量和注射速度，加大（dà）流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的（de）表觀黏度也是一個（gè）有效（xiào）的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然（rán）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（ér）且溫（wēn）度提高將會增加（jiā）塑件在模內的（de）冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪（jiǎn）切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪（jiǎn）切速率（lǜ）可借助於小澆口尺寸或增大注（zhù）射壓力，也即（jí）增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過（guò）程中的狀態

注（zhù）射成型的（de）第皿區段是聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過（guò）程，即充模過程。這是一個（gè）複（fù）雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程（chéng）的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。