一、聚合物熔（róng）體（tǐ）在（zài）簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經（jīng）常會遇到聚合物熔體在各種幾（jǐ）何形狀導管內流動（dòng）的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進（jìn），從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加（jiā）工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔（róng）體在流動過程中的流量（liàng）與壓力（lì）降的關係、切應力與（yǔ）剪切速（sù）率的（de）關係、物料流速分（fèn）布、端末效應等都是十分重要（yào）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（niú）頓流體流（liú）變行（háng）為（wéi）的複雜性，目前（qián）隻（zhī）能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算（suàn）。

(一)在圓形導管（guǎn）內的流動

為了研究聚合物（wù）熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為（wéi）R的圓形導管內作等溫穩定的層（céng）流運動，且（qiě）服從指數定（dìng）律。取距離（lí） T 為r處的流體圓柱體單元，其（qí）長度為L,當（dāng）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應力（lì）т與流體層間（jiān）接觸麵積（jī）的乘積，圓形導管中流動液體受力分（fèn）析。由此看出（chū），切應力為零，逐漸增大而在（zài）管壁處為（wéi），據此（cǐ）進一步（bù）推導的結果，又可（kě）說明（míng）流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物（wù）線（xiàn）形。

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，對於牛頓流體，由於牛頓黏（nián）性定律可以看為指數方（fāng）程式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（de）計算公式。線幾何形（xíng）狀相似，隻（zhī）是沿 軸作上（shàng）下平行移動而已，因而K'和n可相（xiàng）應視作另一個稠度（dù）和流動行為指（zhǐ）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（liú）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。在扁形導槽（cáo）內取（qǔ）一矩形單元體，其（qí）厚度為2y,寬（kuān）度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽（cáo）上下兩麵為無限寬平（píng）行麵（miàn）(扁槽寬度W應大於扁槽上（shàng）下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也（yě）就成為牛頓流體的（de）流動行為，即為牛頓黏性定律方程式（shì），此處（chù）K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所（suǒ）述，在推導流體在各（gè）種截麵流道內流動的流動（dòng）方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都（dōu）假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而（ér）在管（guǎn）壁處為。因而，流體在導管內的速度分布（bù）為零，向管（guǎn）壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓（dùn）流體來說，這種速度分（fèn）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 體各（gè）質點的（de）運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度（dù）分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁（bì）極薄一層液層處，其速（sù）度驟降，至管（guǎn）壁處為零，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（dìng），流體在此段內的壓力（lì）降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體（tǐ）在此區（qū）域內產生彈性變形和速度調（diào）整消耗（hào）一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於（yú）一段導管所（suǒ）引起的損耗，事實上（shàng）這一段導管長度並（bìng）不存在，因而（ér）稱為“虛構長度”或（huò）“當量長度”。當（dāng）量（liàng）長（zhǎng）度（dù）的長短隨具體條（tiáo）件而改變，實驗證明，聚合物（wù）熔（róng）體的當量長（zhǎng）度一般約為導管半徑（jìng）的（de）6倍，在（zài）此區域（yù）內，料流已經不受導管（guǎn）約束，料流各點（diǎn）速度在此重（chóng）新（xīn）調整為相等的速（sù）度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且（qiě）脹至比導（dǎo）管直徑還（hái）要大。當流出速（sù）度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端（duān）末效應外，還（hái）有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出（chū）物表麵呈粗糙狀，剪切速率越（yuè）大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快（kuài）斷裂，這種現象稱為“熔體破（pò）碎”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往采用改（gǎi）進成（chéng）型口模和將流量控（kòng）製在一定範（fàn）圍內來解（jiě）決。為了分析流體在穩定流動時（shí）的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓（dùn）流體（tǐ）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（dòng）過程，可以分成（chéng）三（sān）個區段。第（dì）I區段是塑料物料在注（zhù）射機內旋（xuán）轉（zhuǎn）螺杆與料（liào）筒之（zhī）間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在（zài）料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺（luó）杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流（liú）道、分流道和（hé）澆（jiāo）口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道（dào）長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過（guò）程中塑料（liào）熔體流動的三個區段流體基本上不發（fā）生物理、化學變化。第II區（qū）段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在（zài）模具內完成，過程非常（cháng）複雜（zá），涉及三維流動（dòng）、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

注射成型中，流體在第II區段的流動要（yào）經過多種截麵形狀的流（liú）道，這裏阻力變化複雜，壓（yā）力（lì）損失（shī）大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如（rú）此，仍可對（duì）其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態（tài）的（de）分析。

注射成（chéng）型的基本要求是根據型腔體積將（jiāng）足量的塑料熔體以較快的速度注入型腔（qiāng），再配合其他各種條件，效率地生產出（chū）外觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於（yú）注（zhù）射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀（guān）剪（jiǎn）切速率（lǜ）範（fàn）圍（wéi）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（yóu）於注射機的（de）規格已根據（jù）塑件體（tǐ）積選定，注射（shè）速率為已知值（zhí），也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範（fàn）圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。但是（shì）它們之間不是孤立的，而（ér）是相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也（yě）隨（suí）之而變（biàn）。下（xià）麵分別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口（kǒu）入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度（dù）L,這就使熔體流經澆口（kǒu）的阻力減小（xiǎo），也（yě）就使澆口入口與出（chū）口之間的壓力降減（jiǎn）小（xiǎo），熔體（tǐ）在澆口中的流（liú）速增大，這就增大了q,值。反映到（dào）注射螺杆上，螺杆向前推（tuī）進的速度加快，也即注射速度加快，所（suǒ）以，縮短澆口長度，在（zài）不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔（róng）體在澆口中（zhōng）的（de）流速提高，也即注射速度提高，熔體的（de）表（biǎo）觀黏度也相應降低，這是（shì）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（lǐ）由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆（jiāo）口斷麵尺寸 增大澆口（kǒu）斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀（guān）黏度（dù）相應增高。所以，澆口截麵的（de）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（dù）的增大（dà），反而使qv值減小。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，是因為絕大（dà）多數（shù）塑料（liào）熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪（jiǎn）切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射（shè）。東莞市馬馳科（kē）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（jīng）小澆口時流速（sù）極大，剪切速率相應也（yě）極大，表觀黏度很低。另外，由（yóu）於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提（tí）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，當剪切速率提高到極限值（zhí）時（shí），剪切速（sù）率與表（biǎo）觀黏度失去了依存關係，稱（chēng）為（wéi）失（shī）去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率（lǜ）再增加（jiā），表觀黏（nián）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（duō）數（shù）塑（sù）料來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合（hé）理的（de）剪切速率 因為大多數塑（sù）料熔體都屬於非牛頓（dùn）假塑性流（liú）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（shì）指數（shù）函數關係，不（bú）是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏（nián）度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇一段剪切速率，使它對（duì）黏度的影響有利（lì）於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率（lǜ）取高值，黏度影響小（xiǎo）。而且盡可能高，這（zhè）是大尺（chǐ）寸澆口的模（mó）具所難以達到的（de）。

(4)表觀黏度（dù） 當（dāng）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（chuán）送至澆口（kǒu）外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能（néng）高於聚合物（wù）的降解溫度，而且溫度提（tí）高將會增加塑件在模內的冷卻（què）時間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速（sù）率，提高剪切速率也要受到聚合（hé）物的降解或燒焦以及（jí）“熔體破碎”可能性的限製。提高剪（jiǎn）切速率可借（jiè）助於小澆口尺寸或（huò）增大注射壓力，也即增大切應力（lì）或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型（xíng）的第皿區（qū）段是聚（jù）合物熔（róng）體經澆口射入模具（jù）型腔的過程，即充模過程（chéng）。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加（jiā）工（gōng）過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。