一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常（cháng）會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過（guò）程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型（xíng）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（liàng）與壓力降（jiàng）的（de）關係、切應力（lì）與（yǔ）剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應等（děng）都是十分重要的，因為這（zhè）對控製成型注塑加工（gōng）工藝、塑件產量和質（zhì）量、設計成型設備和模具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能（néng）對幾種簡單截麵導管內（nèi）的流動（dòng）作定量的計（jì）算。

(一)在圓形導管內的流動

為了（le）研究聚合物熔體在（zài）圓形導管內的流動狀況（kuàng），假設其流體是（shì）在半徑為R的圓形導管內（nèi）作等（děng）溫穩定的層流運動，且服從指（zhǐ）數定律。取距離 T 為（wéi）r處（chù）的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是（shì），其中壓力降Δp與圓（yuán）柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此看出，切（qiē）應力為零，逐（zhú）漸增大而在管（guǎn）壁處為，據此進一步推（tuī）導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流（liú）體或非牛頓黏性流（liú）體，由於其（qí）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（biǎo）示，對於牛頓流體，由於（yú）牛頓黏性定律可以看（kàn）為指數方程式r=Ky”中n=1時（shí）的（de）特例，此時牛頓（dùn）黏度η=ド，故也可得出相應（yīng）的流速、體（tǐ）積流量及管壁處剪切速率（lǜ）的計算公式。線幾何形狀相似（sì），隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相（xiàng）應視作（zuò）另（lìng）一個稠（chóu）度和流動行為指數，也稱表（biǎo）觀稠度（dù）與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑（sù）料熔體在等溫條件下經扁形（xíng）導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽（cáo）內取一矩形單元體，其厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位（wèi）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20倍，此時扁槽兩側壁對流速（sù） 的減緩作用（yòng）可忽略不計)，根據力的平衡，得也就（jiù）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)端末效應與速度分布（bù）

如前所述，在推導流體在各種截麵流道內流（liú）動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力（lì）為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因（yīn）而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來（lái）說，這（zhè）種速度分布 呈拋物線形;但（dàn）是，當流體（tǐ）由儲槽（cáo）、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方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層（céng）液層處，其速度驟降（jiàng），至管壁處為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能（néng）形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式算出的大。這是（shì）因為聚合物熔體在此區域內產生彈性（xìng）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於一段導管所（suǒ）引（yǐn）起的損耗，事實上這一段導管長（zhǎng）度（dù）並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長（zhǎng）度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔（róng）體（tǐ）的當量長度一般約為導管（guǎn）半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料流各（gè）點速（sù）度在此重新調整為相等的速度。

另外（wài），在出口區，假塑性流體繼收縮之（zhī）後（hòu）由於彈性（xìng）恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導（dǎo）管直徑還要大。當流出速（sù）度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上（shàng）述入口與出口端末效應外（wài），還有一（yī）種現象，即當剪（jiǎn）切速率高達一定值時，流出物（wù）表麵呈粗糙狀，剪切速率越（yuè）大，流出物越粗糙，甚至不能（néng）成流，很快斷裂，這種現象稱為（wéi）“熔體破（pò）碎”。在擠出注（zhù）塑加工成型中往往采用改進（jìn）成型口（kǒu）模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在（zài）穩定流動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的（de）非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中（zhōng）的流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可以分（fèn）成三個區段。第（dì）I區段是塑料（liào）物料在（zài）注射機內旋（xuán）轉（zhuǎn）螺杆與（yǔ）料筒之間進行輸送（sòng）、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區段是儲存在料筒端部的（de）塑料（liào）熔體受（shòu）螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一（yī）區段的特點是各（gè）段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀（zhuàng）。注射過程（chéng）中塑料熔體流動的三個區段流體（tǐ）基本上不發生物理（lǐ）、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆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（guò）程非常複雜，涉（shè）及三維流動、相遷移理論（lùn）、不（bú）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區段的流動要經過多種（zhǒng）截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中（zhōng）的主（zhǔ）流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化（huà），溫度場（chǎng）不穩定。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經澆（jiāo）口時（shí）狀態的分析。

注射成型的基本要求（qiú）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（pèi）合其他各種條件，效率地生產出外（wài）觀和（hé）內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於（yú）注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也（yě）即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切（qiē）速率範（fàn）圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸（cùn）的（de）範圍。也即求出R 的（de）範圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積（jī）選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速率範圍即（jí）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，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析（xī）。

(1)澆（jiāo）口長度L 當注（zhù）射壓力（lì）保持（chí）恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不（bú）變，如果（guǒ）改短澆口長度L,這就使熔（róng）體流經澆（jiāo）口的阻力減小，也（yě）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（sù）增大，這就增大了q,值。反映到注射螺（luó）杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度（dù）加（jiā）快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高（gāo）注射速率。同（tóng）時，由於（yú）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（yě）相（xiàng）應降（jiàng）低，這（zhè）是由於非牛頓流體的表（biǎo）觀黏度與剪切速率有（yǒu）關（guān）。又短澆口可以不（bú）被（bèi）固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口（kǒu）長度L時（shí），總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸（cùn） 增大澆（jiāo）口斷麵（miàn）有利於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（dà）了，熔體在（zài）澆（jiāo）口（kǒu）中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高（gāo）。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的（de）上限。超過（guò）此值時，再增大截麵，由（yóu）於表觀黏度的增大，反而（ér）使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越大越好。相反，點澆口之（zhī）所以成功，是因為絕大多數塑（sù）料熔體的表觀（guān）黏度是剪切速（sù）率的函數，熔體流速越快，即qv越（yuè）大（dà），它的剪（jiǎn）切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注（zhù）射。東莞市馬馳科（kē）注塑加工廠 采用小澆口意（yì）味著斷麵很小，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，表（biǎo）觀黏度很低。另外，由（yóu）於熔體高速（sù）流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了（le）澆口處的局部溫度，也有利於降（jiàng）低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提（tí）高到極限值時，剪切速（sù）率與表觀黏度失去了依存關係，稱為（wéi）失去了“剪切速率效應”。超過此（cǐ）極限值時，剪切速率再增（zēng）加，表（biǎo）觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇（zé）合理的剪切速（sù）率 因為大多（duō）數（shù）塑料熔體（tǐ）都屬於非牛（niú）頓假塑性流體，其（qí）表觀黏度（dù）與剪切速率的函（hán）數式可（kě）用式表示。即n.與（yǔ）y是指數函（hán）數關係，不（bú）是線（xiàn）型關係。如果剪（jiǎn）切速率再（zài）高（gāo），表觀黏（nián）度值降低（dī）還要少（shǎo）。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在（zài）曲線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影響有利於注射（shè），這是頗為重（chóng）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到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射（shè）速度，加大（dà）流道係統尺（chǐ）寸以便（biàn）將流量傳送至澆口（kǒu）外，降低塑料熔體的表觀黏度也是（shì）一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法（fǎ）是升（shēng）高溫度，然（rán）而溫度的升高也有一（yī）定限製（zhì），不能高於聚（jù）合物的（de）降解溫度，而且溫度提高將（jiāng）會增加塑件在模內的冷卻時（shí）間。降低黏度的另一種辦法（fǎ）是提（tí）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（tǐ）破碎”可能性的限製。提高（gāo）剪切速率可借助於小澆口尺（chǐ）寸或增大注射壓力，也即（jí）增（zēng）大切應力或（huò）兩者兼備。

(二)流體（tǐ）在充模過程中的狀態（tài）

注射成型的第皿區段（duàn）是聚合（hé）物熔體經澆口射（shè）入模具型腔的過程，即充模（mó）過（guò）程。這（zhè）是（shì）一（yī）個複雜的過程，一（yī）般為（wéi）非（fēi）等溫流動。由於這一注（zhù）塑加工過程的分析過於（yú）複（fù）雜（zá），在這裏不作進（jìn）一步的闡述。

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