一、聚合物熔體在簡單截麵導管內（nèi）的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合（hé）物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統（tǒng）注入型腔內;在擠出（chū）注（zhù）塑加工成型中，熔體被螺杆（gǎn）擠（jǐ）進各種口模。研究熔體在流動過（guò）程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係（xì）、物料流速分布（bù）、端末效應等都是（shì）十分重要的，因（yīn）為這對控製（zhì）成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設（shè）計成型設備和模具都有直（zhí）接關係。由於非牛頓流體流變行為的（de）複雜性，目前隻能對幾（jǐ）種簡單截麵導管內的流（liú）動（dòng）作定量的（de）計算。

(一)在圓形（xíng）導管內的流動

為了研究（jiū）聚合物熔體在圓形導管內的（de）流動狀況，假（jiǎ）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，且服從指數定律。取距離 T 為r處（chù）的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右（yòu）移動時，在流體層間產生摩擦（cā）力，於（yú）是，其中壓力降Δp與圓柱體截（jié）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（xī）。由此看出，切（qiē）應力為零，逐漸（jiàn）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麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或（huò）非牛頓（dùn）黏性流體，由於其剪切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵（miàn）函數關係來表示，對（duì）於牛頓流體（tǐ），由於牛頓黏性定律可（kě）以看為（wéi）指數方程（chéng）式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾（jǐ）何形狀相似，隻（zhī）是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相（xiàng）應視作另一個稠度和流動行（háng）為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行（háng）為指數。

(二)在扁形導槽內的流（liú）動

當塑料熔體在等溫條件下經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（qí）厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位長（zhǎng）度，長度為L.假定扁槽上下兩麵（miàn）為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離（lí）2B的20倍，此時（shí）扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略（luè）不計)，根據力的（de）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（cǐ）處K就成為（wéi）黏度n.

(三)端末（mò）效（xiào）應與速度分布

如前所述，在推導流體在各種截麵流（liú）道內流動（dòng）的流動（dòng）方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩（wěn）定流動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁（bì）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，向管壁逐漸減少，而（ér）在管壁處為（wéi） 零。對牛頓流（liú）體（tǐ）來說，這種（zhǒng）速度分布 呈拋物（wù）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（yùn）動速度在大小（xiǎo）和方向上都隨（suí）時發生變化，因而其速度分布（bù）幾乎平坦而成一直線（xiàn）。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至（zhì）管壁（bì）處為（wéi）零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定（dìng），流體在此段內的壓力降總是比用式算（suàn）出的大。這是因為聚合（hé）物（wù）熔體在此區域內（nèi）產生彈性變形和速度調整消耗（hào）一部分的（de）結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於（yú）一段導管所引起（qǐ）的損耗，事實上這一段導管長（zhǎng）度並不存在，因而稱為（wéi）“虛構長度”或“當（dāng）量長（zhǎng）度”。當量長度的長（zhǎng）短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的（de）當量長度一般約（yuē）為導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料（liào）流（liú）各點速度在（zài）此重新調整（zhěng）為相（xiàng）等的速度。

另外，在（zài）出口區，假塑性流體繼收縮之後由（yóu）於（yú）彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還（hái）要大。當流出速度恒定時，導管越短（duǎn），膨脹越嚴重，可達一倍之（zhī）多（duō）。除上述入口與出（chū）口端末（mò）效應外，還有一種現象，即當（dāng）剪切速（sù）率高（gāo）達一（yī）定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙（cāo），甚（shèn）至不能成流，很快（kuài）斷裂（liè），這種現象稱為（wéi）“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型（xíng）中往往（wǎng）采用改進成型口模和（hé）將流量控製在一定範圍內來解決（jué）。為了分析流體在穩定流動時的速度（dù）分布，對於符合指數函數方（fāng）程式的非牛頓流體和牛（niú）頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注（zhù）射成型中的流動過程，可以（yǐ）分成三個區段。第（dì）I區段是（shì）塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之（zhī）間進行輸送、壓（yā）縮、熔融塑化，並將（jiāng）塑化好（hǎo）的熔體儲存在料（liào）筒的（de）端部。第II區段是儲存在（zài）料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分（fèn）流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是（shì）各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾（jǐ）何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三（sān）個區段流體（tǐ）基本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經（jīng）澆口射入（rù）型腔過程中的（de）流動、相變及（jí）固化。這一區段完全在模（mó）具內完成，過程非常複（fù）雜，涉及（jí）三維流動、相遷移理論、不穩定（dìng）導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體在第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（jù）中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時（shí）間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重（chóng）要（yào）的是對塑料熔體流經澆口（kǒu）時狀態的分析。

注射成型的基本（běn）要求是根據型腔體積將足量（liàng）的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型（xíng）腔，再配合其他（tā）各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗，由於注（zhù）射機的規格已（yǐ）根據塑件體積選定，注射（shè）速率為已知值，也即理想（xiǎng）的qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的（de）範圍。也即求出R 的（de）範圍和寬厚積（jī）Wh的範（fàn）圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速（sù）率為已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出（chū）澆口截麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們之間不是孤立的，而是（shì）相互有影（yǐng）響的，改變了某一個參數（shù），其（qí）他參數也隨之而變。下（xià）麵分別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注（zhù）射壓力（lì）保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改（gǎi）短澆口長度L,這就使熔體（tǐ）流經澆口的阻力（lì）減小，也就使澆（jiāo）口入口與出口之間（jiān）的壓力降減小，熔體在澆（jiāo）口中（zhōng）的流速增大（dà），這就增大（dà）了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向（xiàng）前推進的（de）速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短（duǎn）澆口長度，在不增大澆口（kǒu）斷麵的情況（kuàng）下，就（jiù）能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度（dù）提高，熔體的表觀（guān）黏度也相（xiàng）應降低，這是由於（yú）非牛頓流體的表觀黏度與剪切（qiē）速率有關。又短（duǎn）澆口可以不被（bèi）固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度（dù）L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增（zēng）大澆（jiāo）口斷麵有（yǒu）利於qv值的（de）增大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增（zēng）長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表（biǎo）觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值（zhí），這是大澆口的（de）上限。超過此（cǐ）值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減（jiǎn）小。所以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越大越好。相反（fǎn），點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是（shì）剪切（qiē）速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大（dà），因而（ér）表觀黏度越小（xiǎo），越容易注（zhù）射。東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng） 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（nián）度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高（gāo）了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度（dù）失去了依存關係，稱為失去（qù）了（le）“剪（jiǎn）切速率效應”。超過此極限值時，剪（jiǎn）切速率再增加，表觀黏度不（bú）再降低。此時澆口的斷麵就（jiù）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)選擇合理的剪（jiǎn）切速率 因為（wéi）大多數塑料熔體都屬於非（fēi）牛（niú）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y是指（zhǐ）數（shù）函（hán）數關係，不（bú）是線型關係。如果剪（jiǎn）切（qiē）速率再（zài）高，表觀黏（nián）度值降低還要少。所以，東莞（wǎn）市馬馳科注塑加（jiā）工廠要在曲（qǔ）線上選擇（zé）一段剪（jiǎn）切速率，使它對黏度（dù）的影響（xiǎng）有利於注射，這是頗為重要的（de）。一般來說，剪切速率取高值（zhí），黏度（dù）影響小。而且盡可能高（gāo），這是大尺寸澆口的模具所難以（yǐ）達到的。

(4)表觀黏度 當模具充（chōng）不滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便（biàn）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。降低黏度的一種辦（bàn）法（fǎ）是升高溫度，然而溫度的升高也有（yǒu）一定限製，不（bú）能高（gāo）於（yú）聚合物的降解溫度，而（ér）且溫（wēn）度提高將會增加塑（sù）件在模內的冷卻時間。降低（dī）黏度的另一種辦法是提高剪切速（sù）率，提高（gāo）剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以（yǐ）及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借（jiè）助於小（xiǎo）澆（jiāo）口尺寸或增（zēng）大注射壓力，也即增大切（qiē）應力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模過程中的狀態

注（zhù）射成型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即（jí）充模過程。這是（shì）一個複雜的過程，一般（bān）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（zài）這裏不作進一步的闡述。