一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工（gōng）成型過程中，經常會遇到聚合物（wù）熔（róng）體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射（shè）過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆（jiāo）注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔（róng）體在（zài）流動（dòng）過程中（zhōng）的流量與壓力降的關係、切（qiē）應（yīng）力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應等（děng）都（dōu）是十分重要的，因為這對控（kòng）製成型注塑加工工藝（yì）、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（biàn）行為的複雜性，目前（qián）隻能對幾（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

為了研究聚合物熔體在圓（yuán）形導管內的流動狀（zhuàng）況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩定的層流運動（dòng），且服（fú）從指數定律。取（qǔ）距（jù）離 T 為（wéi）r處的流體圓柱（zhù）體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層（céng）間（jiān）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т與（yǔ）流體層間（jiān）接觸麵（miàn）積（jī）的乘積（jī），圓形（xíng）導管中流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而（ér）在管壁處為，據此進一步推導的結（jié）果，又可說明流體在圓形導管內的速度（dù）分布為什（shí）麽呈拋物線形。

對於牛頓（dùn）流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴於所施加的切（qiē）應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓（dùn）流體（tǐ），由於牛頓黏性定律可以看為指數方（fāng）程式r=Ky”中n=1時的特例，此（cǐ）時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的（de）流速、體（tǐ）積流量及管（guǎn）壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下（xià）平行移動而已，因（yīn）而（ér）K'和n可相應視作另一個稠度和（hé）流（liú）動（dòng）行為指（zhǐ）數，也（yě）稱表觀稠度與表觀流（liú）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下經扁形導槽作（zuò）穩定層流運動時。在扁（biǎn）形導槽內（nèi）取一矩（jǔ）形（xíng）單元體，其厚度（dù）為2y,寬度取1個單位長度（dù），長度為L.假定扁槽（cáo）上下兩麵為無限寬平行麵(扁（biǎn）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 的減緩作用可（kě）忽略不計（jì）)，根據力的平衡，得也就成為（wéi）牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律（lǜ）方程式，此處（chù）K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述（shù），在推導流（liú）體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓（dùn）流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在（zài）導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在（zài）管壁處為 零。對牛頓（dùn）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（jìn）入導（dǎo）管內時就不屬於穩定流動，流 體各質（zhì）點的運動速（sù）度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾（jǐ）乎平坦而成一直線（xiàn）。隻有貼近管壁極薄一層（céng）液層處，其（qí）速度驟（zhòu）降，至管（guǎn）壁處為零，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（cè）定，流體在此段內（nèi）的壓力降總是比用式算出的（de）大。這是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（guǒ）。

這種入口損耗（hào）曾（céng）有人設想為相當（dāng）於一段導管所引（yǐn）起（qǐ）的損耗，事實上這一段導（dǎo）管長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨（suí）具體條（tiáo）件而（ér）改變，實驗證明，聚合物熔體的當（dāng）量（liàng）長度一般約為導管（guǎn）半徑的6倍，在此（cǐ）區域內，料流已經不受導管約束，料流各點速度在此重新調整為（wéi）相等的速度。

另外，在出（chū）口（kǒu）區，假塑性流體繼收縮（suō）之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直（zhí）徑還要大。當流出速度恒定時，導管（guǎn）越短，膨脹越嚴重，可達（dá）一（yī）倍之多。除上述入口（kǒu）與出口端（duān）末效（xiào）應外，還有一（yī）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，剪切速（sù）率越大，流出物越粗糙，甚至不能（néng）成流，很快斷裂（liè），這（zhè）種現象稱為“熔體破碎”。在擠出（chū）注塑（sù）加工成型中（zhōng）往往采用改進成型口模和將（jiāng）流量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（sù）度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流（liú）動狀態分析

注射成（chéng）型中的流動過程（chéng），可以分成三個（gè）區段。第（dì）I區段是塑料物料在（zài）注射機內旋（xuán）轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔（róng）融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端（duān）部。第（dì）II區段（duàn）是儲（chǔ）存（cún）在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（dào）、分流道和澆口，開始射入型腔內。這（zhè）一區段的特點是各段流道長徑比較（jiào）大，截（jié）麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本（běn）上不發生物理、化學（xué）變化。第II區段是塑料熔（róng）體經澆（jiāo）口射入型腔過程中的流動、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（wéi）流動、相遷移理論、不（bú）穩定導熱等方麵的知識（shí）。

(一)流體在流道（dào）中的狀態

注射成型中，流體在第II區（qū）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，且模具中的主流道、分流道和澆口（kǒu）的溫度隨（suí）時間而變化，溫（wēn）度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏（lǐ），重要的是對塑料熔體流經澆口（kǒu）時狀態的分析（xī）。

注射成（chéng）型的（de）基本要求是（shì）根據型腔體（tǐ）積將足量的（de）塑料熔體以較快的速度注入型腔（qiāng），再配合其他各種條（tiáo）件，效率地生產（chǎn）出外觀（guān）和內部質量（liàng）均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據（jù）塑件體積選定，注射速率為（wéi）已知（zhī）值，也即理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根據表觀（guān）剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積（jī）Wh的範圍。由於注射（shè）機的規格已根據塑件（jiàn）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，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間（jiān）不是（shì）孤（gū）立的，而是（shì）相互（hù）有影響的，改變了（le）某一個參數，其他參數（shù）也隨之而變。下麵（miàn）分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持恒（héng）定時，則澆口入口（kǒu）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的（de）阻（zǔ）力減小，也就（jiù）使澆口入口與出口（kǒu）之間的壓力降減小，熔體在（zài）澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到（dào）注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注（zhù）射速度加（jiā）快，所以，縮短澆口長（zhǎng）度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀（guān）黏度也相應降低，這（zhè）是由於非（fēi）牛頓流體的表觀黏度與剪切（qiē）速率有關（guān）。又短（duǎn）澆口可以不被固封，可保持常開。由於（yú）以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷（duàn）麵有利於qv值的（de）增大，qv值隨R4或Wh3成比例增（zēng）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（xiàng）應增（zēng）高。所（suǒ）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值減小。所以，澆口斷（duàn）麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所（suǒ）以成功（gōng），是因為絕大多數塑料熔體的（de）表觀（guān）黏度是剪（jiǎn）切速率的函數，熔體流（liú）速越快，即qv越大，它的剪切速率（lǜ）越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用（yòng）小澆口意味著斷麵很小，即R很小（xiǎo），熔體流經小澆口時流速極大（dà），剪切速率相應（yīng）也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分（fèn）轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部（bù）溫度，也有利於降低熔體的表（biǎo）觀黏（nián）度。但是（shì），當（dāng）剪切速率提高到極（jí）限值時，剪切速率與表（biǎo）觀黏度失（shī）去了依（yī）存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值（zhí）時，剪切速率再增加，表觀（guān）黏度不再降（jiàng）低。此時澆口的斷麵就是點澆口（kǒu）的極限尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆口（kǒu）的直徑不（bú）大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇（zé）合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬（shǔ）於非牛頓假塑性流體（tǐ），其表觀黏度與剪切速率的函（hán）數式可用式表示。即n.與y是（shì）指數（shù）函（hán）數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度（dù）值降低還（hái）要少。所以，東莞（wǎn）市馬馳科注塑加工（gōng）廠要在曲線上選擇一段剪切速率，使（shǐ）它對黏（nián）度的影響（xiǎng）有利（lì）於注射，這是頗（pō）為重要的。一般（bān）來（lái）說，剪切速率取高值（zhí），黏度影響小。而（ér）且盡可能高，這是大尺寸（cùn）澆口的模具所難（nán）以（yǐ）達到的。

(4)表觀黏度 當（dāng）模具充不滿時，除增（zēng）大注射量和注射速度（dù），加大流道係統尺（chǐ）寸以便將流量傳（chuán）送至澆口外，降低塑料熔體的表觀（guān）黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一（yī）種辦法是升高溫度，然而溫度的升（shēng）高也有一定限製，不能高於（yú）聚合物的降解溫度（dù），而且（qiě）溫度提高將（jiāng）會增加塑件在模（mó）內的冷卻時間。降低黏度的（de）另一種辦法（fǎ）是提高剪切速率，提高剪切速率（lǜ）也要（yào）受到聚合物（wù）的降解或燒焦以及“熔體破（pò）碎”可能性的限製。提高剪切速（sù）率可借助於（yú）小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或（huò）兩者兼備（bèi）。

(二)流（liú）體在（zài）充模過（guò）程（chéng）中的狀態

注射成型（xíng）的第皿區段是聚合物（wù）熔（róng）體經澆口射入模具型腔的過（guò）程，即充模（mó）過程。這是一個（gè）複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程的分（fèn）析過於複雜，在這裏不作進一（yī）步的闡述（shù）。