一、聚合物熔體在簡單截麵導（dǎo）管內的流動

在塑料注塑加工成型（xíng）過程中，經常（cháng）會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內（nèi）流動的情（qíng）況。如在注（zhù）射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴（zuǐ）經（jīng）澆注係統（tǒng）注入型腔內;在擠（jǐ）出注塑加工成型中，熔體（tǐ）被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力（lì）降的關係、切應力與剪切速率的關係、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（zhī）能對幾（jǐ）種簡單截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（jù）合物熔體在圓形導管內的流動（dòng）狀況，假設（shè）其（qí）流體是（shì）在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層（céng）流運（yùn）動，且服從（cóng）指數定律（lǜ）。取（qǔ）距離 T 為r處的流體圓柱體（tǐ）單（dān）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，其中壓力降Δp與圓柱體（tǐ）截麵的乘（chéng）積必（bì）等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流（liú）動液體受力分（fèn）析。由此看出，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（shuō）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（dùn）流（liú）體或非牛頓黏性流體，由於（yú）其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示，對於牛頓流體，由（yóu）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，此時牛頓黏（nián）度η=ド，故（gù）也（yě）可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算（suàn）公式。線幾何形狀相似，隻是（shì）沿 軸作（zuò）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為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當（dāng）塑料熔體在（zài）等溫條件下經扁（biǎn）形導槽作穩定層（céng）流運動時。在扁形導槽（cáo）內取一矩形單元體（tǐ），其厚度為2y,寬度（dù）取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上（shàng）下（xià）兩麵為無限寬平行麵（miàn）(扁槽寬度W應大於扁（biǎn）槽（cáo）上下（xià） 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作（zuò）用（yòng）可忽略（luè）不計)，根據力的平衡，得也就（jiù）成為牛頓（dùn）流體的流動行為，即（jí）為牛（niú）頓（dùn）黏性定律方（fāng）程（chéng）式，此處K就成為黏度n.

(三)端末（mò）效應與速度分布

如前（qián）所述，在推導流體（tǐ）在各種截麵流道內流動的流動方（fāng）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，切應力為（wéi）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，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流（liú）體來說，這種速度分布 呈（chéng）拋物線形;但是，當流體由儲（chǔ）槽（cáo）、大管進入導管內時（shí）就不屬於穩定流動，流（liú） 體各質點的運動速度（dù）在大小和方向上都隨時發生變化，因而（ér）其（qí）速（sù）度分布幾乎平坦而成一（yī）直線。隻有貼（tiē）近（jìn）管壁極（jí）薄一層（céng）液層處，其速（sù）度（dù）驟降，至管（guǎn）壁（bì）處為零，流體在進入導管後須經一定（dìng）距（jù）離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總（zǒng）是比用式算出的大。這是因為聚（jù）合物熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的（de）結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一段（duàn）導管長度並不存在，因（yīn）而稱為“虛（xū）構長度”或“當量長度”。當量長度的長短（duǎn）隨具體條件而改（gǎi）變，實（shí）驗證明（míng），聚合物熔體（tǐ）的當量長（zhǎng）度（dù）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束，料流各點速度（dù）在此重新（xīn）調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑（sù）性流（liú）體（tǐ）繼（jì）收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹（zhàng），而且（qiě）脹至比導管直徑還（hái）要大（dà）。當流出速度恒定時，導管越短，膨（péng）脹越嚴重，可達一倍之多（duō）。除上述入口與出口端末效應外，還有（yǒu）一種現象（xiàng），即當剪切速率高達一定值時（shí），流出物表麵呈（chéng）粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種（zhǒng）現象稱為“熔體（tǐ）破碎（suì）”。在（zài）擠（jǐ）出注塑加工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（xī）流體在穩定流（liú）動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛（niú）頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可（kě）以（yǐ）分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋（xuán）轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端（duān）部（bù）。第II區段是儲存（cún）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、分流道和澆口，開始射（shè）入型腔（qiāng）內。這一區（qū）段的特（tè）點是各（gè）段流道長（zhǎng）徑比較大，截麵一般具有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射（shè）入型腔過程（chéng）中（zhōng）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，涉及三（sān）維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的（de）知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的（de）流動要（yào）經過多（duō）種截麵形狀的流道，這（zhè）裏阻力變（biàn）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，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要（yào）的是對塑料（liào）熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要求（qiú）是根據型腔體積將足（zú）量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再配合其他（tā）各（gè）種條件，效率地生產（chǎn）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，注射速率為已知值（zhí），也（yě）即理（lǐ）想的qv值已確定，因此（cǐ），根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵（miàn）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（yǐ）知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據（jù）表觀剪切（qiē）速率範圍（wéi）即澆口可（kě）求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們（men）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。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則（zé）澆（jiāo）口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口（kǒu）的（de）阻力減小，也就使澆口入口與出口之間的壓（yā）力降減小，熔（róng）體在澆口中的（de）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（yǐ），縮短澆口長度，在（zài）不增大澆口（kǒu）斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於（yú）熔體在澆口中（zhōng）的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應（yīng）降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切（qiē）速率有關。又短澆口可以（yǐ）不（bú）被（bèi）固封，可（kě）保持常開。由於以（yǐ）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）大澆口斷麵有利於qv值的增大（dà），qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減（jiǎn）小（xiǎo）。所以（yǐ），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（wéi）絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函（hán）數，熔體流速（sù）越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬（mǎ）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（liú）經小澆口時流速（sù）極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏（nián）度。但（dàn）是（shì），當剪（jiǎn）切速率提高到極限值時（shí），剪切速率與（yǔ）表觀黏度（dù）失去了依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此（cǐ）極限值時，剪（jiǎn）切速（sù）率再增加（jiā），表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限（xiàn）尺寸。對多數（shù）塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的（de）剪切速率 因為大多數（shù）塑料熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑（sù）性流體，其表觀黏度與剪（jiǎn）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（xiàn）型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要（yào）在（zài）曲線上（shàng）選擇一段剪切（qiē）速率，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），剪切（qiē）速率（lǜ）取（qǔ）高（gāo）值，黏度影響小。而且盡可（kě）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（shí），除增（zēng）大注射量（liàng）和注射速度，加大流道係統（tǒng）尺寸以便將流量傳送至（zhì）澆（jiāo）口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一（yī）個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然（rán）而溫（wēn）度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提（tí）高將會（huì）增加塑件在模（mó）內的冷卻時間。降低黏度（dù）的另一（yī）種（zhǒng）辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪切速率（lǜ）也要受到聚合物的降解或燒焦（jiāo）以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流（liú）體在充模過程（chéng）中的狀（zhuàng）態

注射成型的第皿區段是聚合（hé）物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程（chéng）。這是一個複雜（zá）的（de）過程，一般為非等溫流動（dòng）。由於這一注（zhù）塑加工過程的分析過於複雜，在（zài）這裏不作（zuò）進一步的闡述。