一、聚合物熔體在簡單截麵（miàn）導管內的流動

在塑料注（zhù）塑加工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚（jù）合物熔體在各種幾何形狀導管（guǎn）內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞（sāi）推（tuī）動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中（zhōng），熔體被螺杆擠（jǐ）進（jìn）各（gè）種（zhǒng）口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓（yā）力降的關係、切應（yīng）力與剪切速率的（de）關係、物料流（liú）速分布、端末效應（yīng）等都是十分重要的，因為（wéi）這對控製成型注塑加工工（gōng）藝（yì）、塑件產（chǎn）量和質量、設計成型設備和模具都（dōu）有（yǒu）直接關係（xì）。由於非（fēi）牛頓流體流變（biàn）行為的（de）複雜性，目前隻能對幾（jǐ）種簡單截（jié）麵導管內的流動作定量（liàng）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（guǎn）內的流動狀況，假設其（qí）流體是（shì）在半徑為R的圓形導管內作（zuò）等溫穩定的層流運動，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，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右移（yí）動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其（qí）中（zhōng）壓（yā）力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與（yǔ）流體層（céng）間接觸麵積的乘積，圓形導管（guǎn）中流動（dòng）液（yè）體受力（lì）分析。由此看出，切應力（lì）為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體（tǐ）在圓形導管內的速度分（fèn）布為什麽呈拋物線形。

對於（yú）牛頓（dùn）流（liú）體或非牛頓黏性流（liú）體，由於其剪切速率（lǜ）隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵（miàn）函數關（guān）係來表示，對於（yú）牛頓流體，由（yóu）於牛頓（dùn）黏性定（dìng）律可以看為指數方程式（shì）r=Ky”中n=1時（shí）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計算（suàn）公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上（shàng）下平行移動而已，因（yīn）而K'和n可相應（yīng）視作另一（yī）個稠度和流動行為指數（shù），也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在（zài）扁形導槽內的流（liú）動

當塑（sù）料（liào）熔體在等溫條件下經扁形導槽（cáo）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（gè）單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無（wú）限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵（miàn）距離2B的20倍，此時（shí）扁（biǎn）槽兩側（cè）壁（bì）對流速 的減緩作（zuò）用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為（wéi）牛頓流（liú）體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效（xiào）應與速度分（fèn）布

如前所述，在推導流體在（zài）各種（zhǒng）截麵流道內（nèi）流動的流動方（fāng）程式（shì）時，不論牛頓流體或非牛（niú）頓流體，都假定流動屬（shǔ）穩定流動狀態，切（qiē）應力為（wéi）零，向管（guǎn）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（wéi）零，向管（guǎn）壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就（jiù）不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和（hé）方向（xiàng）上都隨時發生變化，因（yīn）而（ér）其速度分布幾乎平坦（tǎn）而成一直線（xiàn）。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管（guǎn）壁處為零，流體在進入導管後（hòu）須經一定距（jù）離，穩定狀態（tài）方能（néng）形（xíng）成，實（shí）驗測定，流體在此段內的壓力降總是（shì）比用式算出的大。這是因為聚合（hé）物熔體在此區域內產生彈性變（biàn）形和速度調整消耗（hào）一部分的結果。

這種（zhǒng）入口損耗曾有人設想為相當於一段（duàn）導管所引起的（de）損耗，事實上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長度（dù）”或“當量長（zhǎng）度”。當量長度的長短隨（suí）具（jù）體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般約為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不（bú）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（kǒu）區，假塑性（xìng）流體繼收縮之後由於彈性（xìng）恢複又出現膨脹，而且脹至比（bǐ）導管直徑還（hái）要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即（jí）當剪切速率（lǜ）高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流（liú）出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎（suì）”。在擠出注塑加（jiā）工成型中往往采用改進成型口模和將流量控（kòng）製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時（shí）的速（sù）度分布，對於符合指數函數方程式的非（fēi）牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的（de）流動狀態分析

注射成型中的流動過（guò）程，可以分成三個區段（duàn）。第I區段是（shì）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（jiāng）塑化好的熔體儲存（cún）在料筒的端部。第II區段是（shì）儲存在料筒端部（bù）的塑料熔體受螺杆的向前推壓通（tōng）過噴嘴、模具的主流（liú）道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的（de）特點是各段流道長徑（jìng）比較大，截麵一般具有（yǒu）簡單的幾何（hé）形狀（zhuàng）。注射過程（chéng）中塑料熔體流動的三（sān）個區段（duàn）流體基（jī）本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體（tǐ）經澆（jiāo）口射入型腔過程中的流動、相變及固化（huà）。這一（yī）區段完全（quán）在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩（wěn）定導熱等方麵的（de）知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成（chéng）型中，流體（tǐ）在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻（zǔ）力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的主（zhǔ）流道、分流道和澆口的溫（wēn）度隨時間而變化，溫度場不穩定（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的（de）基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件，效（xiào）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（jī）選定，注射速率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值（zhí）已（yǐ）確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率（lǜ）範圍（wéi）即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範（fàn）圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由於注射機的規格已根據塑件體（tǐ）積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因（yīn）此，根據表觀剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是（shì）孤立的，而是相互有影響的，改變了某（mǒu）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（dìng）時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果（guǒ）改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間（jiān）的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增（zēng）大了q,值。反（fǎn）映到（dào）注射螺杆上，螺杆向前推進的（de）速（sù）度加快，也即（jí）注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷（duàn）麵的情況（kuàng）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（tí）高（gāo），熔體的表觀黏度（dù）也（yě）相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度（dù）與剪切速率有關（guān）。又短澆（jiāo）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L時，總是取值（zhí）。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的（de）增（zēng）大，qv值隨R4或（huò）Wh3成比例增（zēng）長。但是，澆口截麵增大（dà）了，熔體（tǐ）在澆口（kǒu）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（de）上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大（dà），反而使（shǐ）qv值（zhí）減小。所（suǒ）以，澆口斷（duàn）麵（miàn）尺（chǐ）寸（cùn）並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕（jué）大多（duō）數塑料熔體的表（biǎo）觀黏度是剪切速率的函數，熔體（tǐ）流速越快（kuài），即qv越大，它的（de）剪切速率越大，因而表觀黏（nián）度（dù）越（yuè）小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng） 采用小澆口意味著斷（duàn）麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速（sù）率相應也極大，表觀（guān）黏度（dù）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（de）局部溫度，也有利於降低（dī）熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率（lǜ）提高（gāo）到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了依（yī）存（cún）關（guān）係，稱（chēng）為失去了“剪（jiǎn）切（qiē）速率（lǜ）效應（yīng）”。超過此極限值（zhí）時，剪（jiǎn）切速率再增加，表觀黏度不再（zài）降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，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（shù）塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流（liú）體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可（kě）用（yòng）式表示。即n.與y是指數（shù）函數關（guān）係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度（dù）值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要（yào）在曲線上選擇一段剪（jiǎn）切速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重（chóng）要的。一般來說，剪切速率取高值（zhí），黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模（mó）具所難以達到的。

(4)表觀（guān）黏度（dù） 當模具（jù）充（chōng）不滿（mǎn）時，除增大注射量和注射速度，加（jiā）大流道（dào）係統尺寸以便將（jiāng）流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦法是升（shēng）高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低（dī）黏度的另一種辦（bàn）法是提高剪切速率（lǜ），提高剪切速率也要受到聚合物的降解或（huò）燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速（sù）率可借助於小澆口（kǒu）尺（chǐ）寸或（huò）增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的（de）第（dì）皿區段是聚合物熔體（tǐ）經澆口射入模具型腔（qiāng）的過程，即充模過程。這是一個（gè）複（fù）雜的過程，一般（bān）為非等（děng）溫流動。由於這一注塑加工過程的分析（xī）過於複（fù）雜，在這裏不作進（jìn）一步（bù）的闡述。