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過程中（zhōng），經常會遇到聚（jù）合物熔體（tǐ）在各種幾何形狀導（dǎo）管內流動的情況。如（rú）在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在（zài）擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的（de）流量與壓力降的關係、切應（yīng）力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效（xiào）應等都是十（shí）分重要的（de），因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件（jiàn）產量和質量、設計成型設備和（hé）模（mó）具（jù）都有（yǒu）直接（jiē）關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾（jǐ）種簡單截麵導管內的（de）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形導管內的流動（dòng）狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作（zuò）等溫穩定的層流（liú）運動，且服從指數定律。取距離（lí） T 為r處的（de）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，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切（qiē）應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動（dòng）液體受力（lì）分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在（zài）管壁處為，據此進一步推（tuī）導的結果，又可說明（míng）流體在圓形導管內的（de）速度（dù）分布為（wéi）什麽（me）呈拋物線形（xíng）。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴於（yú）所施加的切應力，所（suǒ）以，可用下麵函數關係來（lái）表示，對於牛頓流體（tǐ），由（yóu）於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛（niú）頓黏度η=ド，故也可得出（chū）相應的流速、體積（jī）流（liú）量及管壁處剪（jiǎn）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（háng）移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行（háng）為（wéi）指（zhǐ）數（shù），也（yě）稱表觀稠度與表觀流動（dòng）行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料（liào）熔體（tǐ）在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動（dòng）時。在扁（biǎn）形（xíng）導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個（gè）單位長度，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 的減緩作用可忽略（luè）不（bú）計)，根據力的平（píng）衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性（xìng）定律方程式，此處K就（jiù）成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在（zài）推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體或（huò）非牛頓流（liú）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（zēng）大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速（sù）度分布為零（líng），向管壁逐漸減少，而在管壁（bì）處為 零。對牛（niú）頓流（liú）體來說，這種速度（dù）分布 呈拋物線形;但是（shì），當流體由（yóu）儲槽、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（bù）幾乎平坦而成一直線（xiàn）。隻有（yǒu）貼近管壁極薄一層液（yè）層處，其（qí）速度驟降，至管壁（bì）處為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩（wěn）定狀態方能形成，實驗測定，流（liú）體在此段內的壓力降總是比用式算出（chū）的大。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（xiāo）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）引起的損耗，事實上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，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（yǐ）經不受導管約束，料流各點速度在此重新調整（zhěng）為相等的速度。

另外（wài），在出口區，假塑性流體繼收縮之後（hòu）由於（yú）彈（dàn）性恢複（fù）又出現膨脹，而（ér）且脹（zhàng）至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越（yuè）嚴重，可達一倍之多。除上（shàng）述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪（jiǎn）切速率高達（dá）一定值時，流（liú）出物表麵呈粗糙狀，剪切速率（lǜ）越大，流出物越粗糙，甚（shèn）至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔（róng）體破碎”。在擠出注（zhù）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（de）速度分布，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（chéng）型中的流動狀態分析

注射成型中的流（liú）動過程，可以分成三個（gè）區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行（háng）輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區（qū）段是儲存在料筒端部（bù）的塑料熔體受螺（luó）杆的向前推（tuī）壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道（dào）和澆（jiāo）口，開始射（shè）入型腔（qiāng）內（nèi）。這一區段的特點是各段流道長徑比較（jiào）大，截麵一般（bān）具有簡單的幾何形狀。注（zhù）射過程中（zhōng）塑料熔體（tǐ）流動的三個區（qū）段流體基本上不發生物理、化（huà）學變化。第II區段是塑料熔（róng）體經澆口射入型（xíng）腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成（chéng），過程非常複雜，涉及三維流動、相遷（qiān）移理論、不（bú）穩定導熱等方麵的知識。

(一)流（liú）體在流道中的狀態

注（zhù）射成型中（zhōng），流體在第II區段的流動要經過多（duō）種截麵形狀的流道，這裏（lǐ）阻力（lì）變化（huà）複雜（zá），壓力損失大，且模具中的主流道、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（réng）可對其分別加以分析。這（zhè）裏，重要的是（shì）對塑料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是根（gēn）據型腔體積將足量的塑（sù）料熔（róng）體以較快的速度注入型腔，再（zài）配合（hé）其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定（dìng），注射（shè）速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀（guān）剪切速率範圍即澆口可求出澆口截（jié）麵尺（chǐ）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（jī）選定，注（zhù）射速率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切速（sù）率範（fàn）圍即澆口可求出澆口截（jié）麵尺寸（cùn）的範圍。但是它們之間不是孤（gū）立的，而是相互有影響的，改變（biàn）了某一個參數，其他參數也隨之而（ér）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，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如（rú）果改短澆口長度L,這（zhè）就使（shǐ）熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入（rù）口與出口（kǒu）之間的壓力降減小，熔體在澆口中的（de）流速增（zēng）大（dà），這（zhè）就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的（de）速度加快（kuài），也即注射（shè）速度加快（kuài），所以，縮短澆（jiāo）口長度，在不（bú）增大澆口斷麵的（de）情況下，就能提高注射速率（lǜ）。同時，由（yóu）於熔體在澆口中（zhōng）的流速提高（gāo），也即注射速（sù）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（kě）保持常開。由（yóu）於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺（chǐ）寸 增大澆（jiāo）口斷麵有（yǒu）利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成（chéng）比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏（nián）度相應增高。所以，澆口截麵（miàn）的增大有個極限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過（guò）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。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。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剪切速率（lǜ）的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切（qiē）速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，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，表觀黏度很低。另外，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（wēn）度，也有利於降低熔體（tǐ）的表觀黏度。但是，當剪切（qiē）速率提高到極限值時，剪切速率（lǜ）與表觀黏度失去了依存關係，稱為失去了“剪切（qiē）速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不（bú）再降低。此時澆口的斷麵就是點（diǎn）澆口的極（jí）限尺寸。對多數塑料（liào）來說，點（diǎn）澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選（xuǎn）擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其（qí）表觀黏度與剪切速率的函數（shù）式可用（yòng）式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表（biǎo）觀黏（nián）度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng）要在曲線上選擇（zé）一（yī）段剪切（qiē）速率，使它對黏度（dù）的影（yǐng）響有利於注射，這是頗為重要的。一（yī）般來（lái）說，剪切速率取高值，黏度（dù）影響（xiǎng）小。而且盡可能（néng）高，這是大尺寸澆（jiāo）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速（sù）度，加大流道（dào）係統尺寸（cùn）以便將流量傳（chuán）送至（zhì）澆口外，降低塑料熔體的表觀黏（nián）度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高（gāo）也有（yǒu）一定限製，不能高（gāo）於聚合物的（de）降解溫度，而且溫度（dù）提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切速率，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（tí）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（dà）切應力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模過（guò）程中的狀態

注射成型的第（dì）皿區段（duàn）是聚（jù）合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一（yī）注塑加工過程的分析（xī）過於複雜（zá），在這（zhè）裏不作進一步的闡述。

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