一、聚（jù）合物熔體在簡單（dān）截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情（qíng）況。如在注（zhù）射（shè）過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注（zhù）係統注入型腔（qiāng）內;在擠出注塑加工成型中，熔（róng）體被螺杆擠進各種口模。研究熔體（tǐ）在流動過程中的流量（liàng）與壓力降的（de）關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分（fèn）布、端末效應等都是十分重要的，因為這（zhè）對控製成型注塑（sù）加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和（hé）模具都有直接關係。由（yóu）於非牛頓流體流（liú）變行為的複雜性，目前隻能對幾種（zhǒng）簡單截（jié）麵導管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（hé）物熔體在圓形導管內（nèi）的流（liú）動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從指數（shù）定律。取（qǔ）距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度（dù）為L,當它（tā） ≈ 由左向右移動時，在（zài）流體層間產生摩擦力（lì），於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘（chéng）積必等（děng）於切應力т與流體層間接觸麵積的（de）乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此看（kàn）出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什（shí）麽呈拋物線形。

對於牛頓流（liú）體或非牛頓（dùn）黏性流體，由於其剪切（qiē）速率隻依賴於所施加的切應（yīng）力，所以，可用下麵函數關（guān）係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓（dùn）黏性定律可以看為（wéi）指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得（dé）出（chū）相應的流速、體積（jī）流量及管（guǎn）壁處剪切速（sù）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已，因而K'和n可相應視作另一個稠度（dù）和流動行為指數，也稱表觀稠度與（yǔ）表觀流動行為指數。

(二)在扁形導（dǎo）槽（cáo）內的流動（dòng）

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動（dòng）時。在扁形導槽（cáo）內（nèi）取一矩形單元體，其（qí）厚度為2y,寬度取1個單位（wèi）長度，長度為L.假定扁（biǎn）槽上下兩麵為無（wú）限寬平行麵(扁槽寬（kuān）度W應大於扁槽上下 平行麵距離（lí）2B的20倍（bèi），此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不（bú）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（nián）性定律方（fāng）程式，此處K就成為（wéi）黏度n.

(三)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（de）流動方程式時，不論（lùn）牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應（yīng）力為零，向管壁逐（zhú）漸增大，而在管壁（bì）處為。因而，流（liú）體在導管內的速度分布為（wéi）零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流（liú） 體各質點的運動速度在大小和方向上都（dōu）隨時發生變化，因而其速（sù）度（dù）分布幾乎平坦而成一（yī）直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處（chù）為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定（dìng）狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內（nèi）的（de）壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域（yù）內（nèi）產生彈性變形和速度調整消耗（hào）一部分的結果。

這種（zhǒng）入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起（qǐ）的損（sǔn）耗，事實上這一段導管長（zhǎng）度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實（shí）驗證明（míng），聚合物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約（yuē）束，料（liào）流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（xìng）恢複又出現膨脹，而且脹（zhàng）至比導管直徑還要大。當流出（chū）速度恒定時（shí），導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出（chū）口端末（mò）效應外，還有一種現象，即當剪切速率高（gāo）達一定（dìng）值時，流出物（wù）表麵呈粗糙狀，剪切（qiē）速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷（duàn）裂，這種現象（xiàng）稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成型口模和將流量（liàng）控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符合指數（shù）函數方程（chéng）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，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆（gǎn）與料（liào）筒之間進行輸（shū）送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的（de）熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲（chǔ）存在料筒端（duān）部的（de）塑（sù）料熔體受螺（luó）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（nèi）。這一區段的特點是各段（duàn）流（liú）道長徑比較大，截麵（miàn）一般（bān）具有簡（jiǎn）單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的（de）三（sān）個區段流體基本上不發生（shēng）物理、化學變化。第II區段是（shì）塑料熔（róng）體經澆口射（shè）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（shè）成型（xíng）中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的（de）流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模（mó）具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔（róng）體流經澆口時狀態的分析。

注（zhù）射成型的基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔體以較快的速度（dù）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（liàng）均（jun1）好的注射塑件。根據（jù）實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑（sù）件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值（zhí）已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求（qiú）出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由（yóu）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，根據表觀剪切速（sù）率範圍即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（de），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（fèn）別進行分（fèn）析（xī）。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持恒定（dìng）時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短（duǎn）澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間的壓力降減（jiǎn）小（xiǎo），熔體在澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口（kǒu）斷麵的情況下（xià），就能提高注射速率。同（tóng）時，由於熔體在澆口中的流速提高，也（yě）即注射速度提高，熔（róng）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關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆（jiāo）口（kǒu）長度L時，總是取（qǔ）值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口（kǒu）斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長（zhǎng）。但是，澆口截（jié）麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度相應（yīng）增高。所（suǒ）以，澆口截麵的增大有（yǒu）個極限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過此值時（shí），再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減（jiǎn）小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反（fǎn），點澆口之（zhī）所以成功，是（shì）因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切（qiē）速率的（de）函數，熔體流速越（yuè）快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而（ér）表觀黏度越小，越（yuè）容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時（shí）流速極大，剪切速（sù）率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小（xiǎo）澆口（kǒu），部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於（yú）降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切（qiē）速率（lǜ）提高到極限值時，剪切速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（guò）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。對多數塑料來說，點（diǎn）澆口的直（zhí）徑不大（dà）於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理（lǐ）的剪切速率 因為大多數塑料熔體都（dōu）屬（shǔ）於非牛頓假（jiǎ）塑性流體，其（qí）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（shù）函數關係，不（bú）是線型關係。如果剪切速（sù）率再高，表觀黏度值降低還要少（shǎo）。所以，東（dōng）莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠（chǎng）要在曲（qǔ）線（xiàn）上選擇（zé）一段剪切速率，使它對黏度的影響有（yǒu）利於注射，這（zhè）是頗（pō）為重要（yào）的。一般（bān）來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡（jìn）可能高，這是大尺寸澆口的模具所難（nán）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速度，加大流道係統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有（yǒu）效的辦法（fǎ）。降低黏度的一種辦法（fǎ）是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高（gāo）於聚合物的降解（jiě）溫度，而且溫度提高將會（huì）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（hé）物（wù）的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪（jiǎn）切速率可借助於小澆口尺寸或（huò）增大（dà）注射壓力（lì），也即增大切應力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模（mó）過程中（zhōng）的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔體經（jīng）澆口射入模具型腔的過程，即充模過（guò）程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過（guò）程的分（fèn）析過於複雜，在這裏不作進（jìn）一步的闡（chǎn）述。