一、聚合物熔（róng）體在簡（jiǎn）單截麵導管內（nèi）的流動

在塑料（liào）注塑加工成型過程中，經（jīng）常（cháng）會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管（guǎn）內流動（dòng）的情況。如在注射過程中（zhōng），熔體（tǐ）被柱塞（sāi）推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注（zhù）塑加（jiā）工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過（guò）程中的流量與壓（yā）力降的關係（xì）、切應力（lì）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，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑（sù）件產量和質量、設計成型（xíng）設備和（hé）模具都有（yǒu）直接關係。由（yóu）於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作（zuò）定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合（hé）物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩定的層（céng）流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體（tǐ）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，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力（lì）т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此（cǐ）看出，切（qiē）應力（lì）為零（líng），逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的（de）結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽（me）呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏（nián）性流體，由於其剪切（qiē）速率隻依（yī）賴（lài）於所施（shī）加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律可以看為指數（shù）方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛（niú）頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速率的（de）計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而（ér）已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表（biǎo）觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件（jiàn）下經（jīng）扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為（wéi）2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁（biǎn）槽上下兩（liǎng）麵為無限（xiàn）寬（kuān）平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的（de）減緩作用可忽略不（bú）計)，根據力的平衡，得也就成（chéng）為牛頓流（liú）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)端（duān）末效應與速度分布

如前所（suǒ）述，在推導（dǎo）流體在各種截麵（miàn）流道內流（liú）動的流動方程（chéng）式時，不論牛頓流體或非牛頓（dùn）流體，都（dōu）假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸（jiàn）增（zēng）大，而在管壁處為。因而，流體在導管內（nèi）的速度（dù）分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說（shuō），這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進（jìn）入（rù）導管（guǎn）內時（shí）就不屬於穩定流動，流 體各（gè）質點的運（yùn）動速度在大小和方（fāng）向上都隨時發生變化，因而其速（sù）度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至（zhì）管壁（bì）處為零，流體（tǐ）在進入（rù）導管後（hòu）須（xū）經一定距離，穩定狀態方能（néng）形成，實驗測定，流（liú）體在此段（duàn）內的（de）壓力降總是比用式算出的大。這（zhè）是因為聚合物熔體在（zài）此（cǐ）區域（yù）內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當（dāng）於一段導管所引起的損耗（hào），事實上（shàng）這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長度（dù）”或（huò）“當量長度”。當量長度（dù）的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚（jù）合物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域（yù）內，料流已經不受導管約束，料流（liú）各點速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導管直徑還（hái）要大。當（dāng）流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與（yǔ）出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達（dá）一（yī）定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪（jiǎn）切速率越大，流出物越粗糙，甚（shèn）至不能成流，很快斷裂，這種（zhǒng）現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工（gōng）成型中往往采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流（liú）體在穩定流動時的速度分布，對於符合（hé）指數（shù）函數方程（chéng）式的（de）非牛頓流體（tǐ）和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析（xī）

注射成型（xíng）中的流動過程，可以分成三個區段。第I區（qū）段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並（bìng）將塑化（huà）好的（de）熔體儲存在料筒的端部。第（dì）II區段是儲存在料筒端部的塑料熔（róng）體受（shòu）螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始（shǐ）射入型腔內。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（xíng）狀。注（zhù）射（shè）過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑（sù）料熔體經澆口射入型腔（qiāng）過程中的流動、相變及固化。這一（yī）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)流體在流道中的狀態

注射成（chéng）型中，流體在第II區段的（de）流動要經過（guò）多種截麵（miàn）形狀（zhuàng）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隨時間而變化，溫度場不穩（wěn）定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的（de）是對塑（sù）料熔體流經澆口時狀態的（de）分析。

注射成型的基本要求是根據型（xíng）腔體積將（jiāng）足量的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐（jiàn）經驗（yàn），由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已（yǐ）知值，也即理想的qv值（zhí）已確定（dìng），因此，根據表觀（guān）剪切速率範圍即澆（jiāo）口可求出澆口（kǒu）截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆口可（kě）求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它（tā）們之間（jiān）不是孤立的，而是（shì）相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變（biàn）。下麵分別進行分析。

(1)澆口長（zhǎng）度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處的（de）壓力p1,保持不變，如果（guǒ）改短澆口長度L,這就使熔體流經（jīng）澆口的阻力減小，也就使澆口入口與（yǔ）出口（kǒu）之間的壓力降減小，熔體在澆口中的（de）流速增大，這就增大（dà）了q,值。反映到注射螺杆上，螺（luó）杆向前推進的速度加快，也即注（zhù）射速度加快（kuài），所以，縮短澆口（kǒu）長（zhǎng）度（dù），在不增大澆口斷麵的情（qíng）況下，就能提高注射速率（lǜ）。同時，由於熔（róng）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（dù）也相應降（jiàng）低，這是由於非牛頓流（liú）體的表觀黏度與剪切速（sù）率有關。又短澆口可以不被固（gù）封，可保持常開。由於以上理由（yóu），設計澆口長度L時，總是取（qǔ）值。

(2)澆口斷麵尺（chǐ）寸 增大澆口斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截（jié）麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增（zēng）高。所以，澆口截麵的增大（dà）有個極限值，這是大澆口的上限（xiàn）。超（chāo）過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所（suǒ）以成功，是因為絕（jué）大（dà）多數塑料熔（róng）體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體（tǐ）流速越快（kuài），即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小，越（yuè）容易注射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠（chǎng） 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流（liú）經小澆口時流速極大，剪切速率（lǜ）相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口（kǒu）處的局部溫度，也有利於（yú）降低熔體的表觀黏度。但是，當剪（jiǎn）切速率提高到極限值（zhí）時，剪切速率與表觀黏度失去了依（yī）存關（guān）係，稱為失去了“剪切速（sù）率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來（lái）說（shuō），點澆口的直徑（jìng）不大於（yú） 1.5mm,對較黏（nián）的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔（róng）體都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與（yǔ）y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率再（zài）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（jiǎn）切速率（lǜ），使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說（shuō），剪（jiǎn）切速率（lǜ）取高值，黏度影響小。而且（qiě）盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所（suǒ）難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除（chú）增大注射量（liàng）和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量（liàng）傳（chuán）送至澆口（kǒu）外，降低塑（sù）料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦（bàn）法是升高溫度，然（rán）而（ér）溫度的（de）升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而（ér）且溫度提高將會增加塑件在模（mó）內的冷卻時間。降（jiàng）低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪（jiǎn）切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔（róng）體（tǐ）破碎”可（kě）能性的限製。提高剪切速率可（kě）借助於小澆口尺寸或增大注射壓（yā）力，也即增（zēng）大切應力或（huò）兩者兼備。

(二)流體在（zài）充模過程（chéng）中的狀態

注射成型（xíng）的第皿區段是聚合物熔體經澆口（kǒu）射入模具型腔的過程，即充模過程（chéng）。這是一個複雜的（de）過程，一般（bān）為非等（děng）溫（wēn）流動。由於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏（lǐ）不（bú）作進一步（bù）的（de）闡述。