一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的（de）情況（kuàng）。如在注射過程中，熔（róng）體被柱（zhù）塞（sāi）推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動（dòng）過程中的（de）流量與壓力降的關係、切應力與（yǔ）剪切速率的關係（xì）、物料流速（sù）分布（bù）、端末效應等都（dōu）是十分重要的，因為這對控製成型注塑加（jiā）工工藝、塑件（jiàn）產（chǎn）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（háng）為的複雜性，目前隻能對幾（jǐ）種簡單截麵導（dǎo）管內的（de）流動作定量（liàng）的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究（jiū）聚合物（wù）熔（róng）體在圓（yuán）形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管（guǎn）內作等溫（wēn）穩定的層流運（yùn）動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元（yuán），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（miàn）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（tǐ）受力分析。由此看（kàn）出，切應力為零，逐（zhú）漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可（kě）說明流體在（zài）圓形導管內的速度分布為什麽呈拋（pāo）物線形。

對於牛頓流體或非牛頓（dùn）黏性流（liú）體，由（yóu）於其剪切速率隻依賴於所施加的切（qiē）應力，所以，可用下麵（miàn）函數關係來表示，對於牛頓流體，由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，此時牛頓黏度η=ド，故（gù）也可得出（chū）相應的流速、體積流量及管壁處剪切（qiē）速率的計算公式。線（xiàn）幾何形狀相似，隻是（shì）沿 軸作上下平行移（yí）動而已，因（yīn）而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表（biǎo）觀稠度（dù）與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導（dǎo）槽內的流動

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，其厚度為2y,寬度取1個單（dān）位長度，長度為（wéi）L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵（miàn）(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）不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體（tǐ）的流動行為，即為牛頓（dùn）黏性定律方（fāng）程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應（yīng）與速度分布

如前所述，在推導（dǎo）流體在各種截（jié）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，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增（zēng）大，而在管壁處為。因而（ér），流體在導（dǎo）管（guǎn）內的速度分（fèn）布為零，向管壁逐漸減少（shǎo），而在（zài）管壁處為（wéi） 零。對牛頓流體來說（shuō），這種（zhǒng）速度分布（bù） 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 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因（yīn）而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻（zhī）有（yǒu）貼近管壁極薄一（yī）層液層處，其（qí）速度驟（zhòu）降，至管壁處為零，流體在（zài）進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形（xíng）成，實驗測定，流體在此段內（nèi）的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在（zài）此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分（fèn）的結果。

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（shàng）這一段導管長度並不（bú）存在，因而稱為“虛構長度”或“當量（liàng）長（zhǎng）度”。當量長（zhǎng）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（zhǎng）度一般約為導管半徑（jìng）的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料流各點速度在此（cǐ）重新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流（liú）體繼收縮之後由於彈性恢複（fù）又出現膨脹，而且脹至比導管直徑（jìng）還要大。當流（liú）出速度（dù）恒定（dìng）時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入（rù）口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀（zhuàng），剪（jiǎn）切速率越大，流出物越粗（cū）糙（cāo），甚至不能成流，很（hěn）快斷裂，這種現（xiàn）象稱為“熔體破碎”。在擠（jǐ）出注塑加工成型中往往采用（yòng）改（gǎi）進成型口模和將流量控製在一定範圍內來解（jiě）決。為了分（fèn）析流體在穩定（dìng）流動時（shí）的速度分布，對於符合指數函數方程式的非（fēi）牛頓流體和牛頓流（liú）體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成（chéng）型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物（wù）料在注射機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸送、壓（yā）縮、熔融塑化，並將塑化好的（de）熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具（jù）的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截麵一（yī）般具有簡單的幾何形狀（zhuàng）。注射過程中塑料熔體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（liào）熔體經澆口射入型腔過程（chéng）中的流動（dòng）、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉（shè）及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方（fāng）麵的知識（shí）。

(一)流（liú）體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流（liú）動要經過多（duō）種截麵形狀的流道，這裏（lǐ）阻力變化複雜，壓力損失大，且模（mó）具中的（de）主流道、分流道（dào）和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分（fèn）析。這裏，重要的（de）是對塑料熔體流經澆口時（shí）狀態的分析。

注（zhù）射成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（sù）度注入型腔，再配合其他各種條件，效（xiào）率地生（shēng）產出外觀和內部質量均好的注（zhù）射塑件。根據實（shí）踐經驗，由（yóu）於注射（shè）機（jī）的（de）規格已根據塑件體積（jī）選定，注射速率為已（yǐ）知值，也即理想的（de）qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出（chū）R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範（fàn）圍。由於注射機的（de）規格已（yǐ）根據塑件體積選定，注射速率為已知（zhī）值，也（yě）即理想（xiǎng）的qv值已（yǐ）確定（dìng），因此，根（gēn）據表觀剪切速率範（fàn）圍即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。但是它（tā）們之間不是孤立的，而是相（xiàng）互（hù）有影響的，改變了某（mǒu）一個參數，其他（tā）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（yā）力保持恒定時，則澆口（kǒu）入口處的壓力（lì）p1,保持不變，如果改短澆口長度（dù）L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入（rù）口與出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大（dà），這就增（zēng）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（kuài），所以，縮（suō）短澆口長度，在（zài）不增大澆口斷麵的（de）情（qíng）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（yě）即注射（shè）速度提（tí）高，熔體的表（biǎo）觀黏度也（yě）相（xiàng）應降低（dī），這是由（yóu）於非牛頓流體的（de）表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封（fēng），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 增大澆口斷麵有利於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，熔體的表觀黏度相應增（zēng）高。所以，澆口截麵的增大有個（gè）極限值，這是大澆口的上（shàng）限。超過此值時，再增（zēng）大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相（xiàng）反，點（diǎn）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的函數，熔體（tǐ）流速（sù）越快，即qv越（yuè）大，它的剪（jiǎn）切速率越大（dà），因而表觀（guān）黏（nián）度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠 采用小澆口意味著（zhe）斷麵很小，即（jí）R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時（shí）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（jiāo）口，部分（fèn）轉變為熱能，遂提（tí）高了澆口處的局部溫度（dù），也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當（dāng）剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超（chāo）過此極限值時，剪切（qiē）速率再增加，表觀黏度（dù）不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的（de）極限尺寸。對多數塑料來說（shuō），點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓（dùn）假（jiǎ）塑性流體（tǐ），其表（biǎo）觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係（xì），不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值（zhí）降低還要少。所以，東莞市（shì）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（dù）的影（yǐng）響（xiǎng）有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率（lǜ）取高值，黏度影（yǐng）響小。而且盡可能高（gāo），這是大尺寸澆口的模具所難以達到（dào）的。

(4)表觀黏度 當模具充不（bú）滿時，除增（zēng）大注射量和注射速度，加（jiā）大流（liú）道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表（biǎo）觀黏度也（yě）是一個（gè）有效的辦法。降（jiàng）低黏度的一種辦法是升高溫（wēn）度，然而溫度的（de）升（shēng）高也（yě）有一定（dìng）限（xiàn）製，不能高於聚（jù）合物的降解溫（wēn）度，而且溫度提高將會（huì）增加（jiā）塑件在模內的冷卻時間（jiān）。降低黏度的另一種辦法是提高剪切（qiē）速率，提高剪切速率也要受（shòu）到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借（jiè）助於小澆口尺寸或增大注（zhù）射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二（èr）)流體在充（chōng）模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物（wù）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。由於這一注塑加工過（guò）程的分析過於複雜，在這裏不作進一步（bù）的闡述。