一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑（sù）料注（zhù）塑加工成型過程中，經（jīng）常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱（zhù）塞推動前進，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。研究熔體在流動過程（chéng）中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物料（liào）流速分布、端末效應等（děng）都是（shì）十分重要的，因為這對控製成型注塑加（jiā）工工藝（yì）、塑件產量和質量（liàng）、設計成型設備和模（mó）具都有直接關（guān）係。由於非牛頓流體（tǐ）流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定（dìng）量的計算。

(一)在（zài）圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的（de）流動狀況，假設其流（liú）體是在半徑為R的圓形導（dǎo）管內作等溫穩定的層流運動，且（qiě）服從指數定律（lǜ）。取距離（lí） T 為r處的流體圓（yuán）柱體（tǐ）單元，其（qí）長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流（liú）體層間產生（shēng）摩擦力，於是，其中壓力（lì）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）接觸麵積的乘積，圓形導管中流（liú）動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導（dǎo）的結果，又可說明流體（tǐ）在圓形導管內的速度分布為什（shí）麽（me）呈拋（pāo）物線形。

對於牛頓（dùn）流體或非牛頓黏（nián）性流體，由於其剪切速率（lǜ）隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表（biǎo）示（shì），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（zhōng）n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故（gù）也可得出相應的流速（sù）、體積流量及（jí）管壁處剪切速率的計算公式（shì）。線幾何形狀相似，隻（zhī）是沿 軸作上下平（píng）行移動而已，因而K'和n可相（xiàng）應視作另一個稠度和流動行為（wéi）指數，也稱表觀稠度與（yǔ）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（céng）流運動時。在扁形導槽內取一矩形單（dān）元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，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（cáo）兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不（bú）計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此（cǐ）處K就成（chéng）為（wéi）黏度n.

(三)端（duān）末效（xiào）應與速度分布

如前所述（shù），在推導流體在各種截麵流道內流（liú）動的流動方程式時（shí），不論牛頓流（liú）體或非牛頓流體（tǐ），都假（jiǎ）定流動屬（shǔ）穩定流動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為（wéi）。因而（ér），流（liú）體在導管內的速度（dù）分布為零（líng），向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋（pāo）物線（xiàn）形;但（dàn）是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就（jiù）不屬於穩（wěn）定流動，流 體各質點的運（yùn）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。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進（jìn）入（rù）導管後須經一（yī）定距離，穩定狀態方能形成，實（shí）驗測定，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（wù）熔體在此區域內產生（shēng）彈性變形和速度調（diào）整消耗一部分的結果。

這種（zhǒng）入（rù）口損耗曾有人設（shè）想為（wéi）相當於一段導管所引（yǐn）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（de）當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此（cǐ）區域內，料（liào）流已經不受（shòu）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，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現（xiàn）膨脹，而且脹至（zhì）比（bǐ）導管（guǎn）直徑還要大。當流出速（sù）度恒定時，導管（guǎn）越（yuè）短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與（yǔ）出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高（gāo）達一定值時，流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物（wù）越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這（zhè）種現象稱為“熔（róng）體破碎”。在擠出注塑加工（gōng）成型中往往采用改進成型（xíng）口模和將流量控製（zhì）在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流（liú）動時的速度分布（bù），對於符合指數函數方（fāng）程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射（shè）成型中的流動狀態（tài）分析

注射成型中的流動過程，可以（yǐ）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與料筒之間進行輸送、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（zuǐ）、模具的主流道、分流道和澆口，開（kāi）始射入型腔內。這一區段的特點是各段（duàn）流道長徑比較大（dà），截麵（miàn）一般具（jù）有簡單的幾何形狀（zhuàng）。注射（shè）過程中塑料熔（róng）體流動的三個區段流體基本上不（bú）發生物理、化學變化。第II區段是塑（sù）料熔體經澆口射（shè）入型（xíng）腔過程中的流動、相變（biàn）及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理（lǐ）論、不穩定導熱等（děng）方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流（liú）體在第II區段的流（liú）動要（yào）經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力（lì）變化（huà）複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道（dào）和澆口的溫度隨時間而變化（huà），溫度場不穩定（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重（chóng）要的是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據型腔（qiāng）體積將足量的塑料熔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（yàn），由於注射（shè）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（què）定，因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆（jiāo）口截麵（miàn）尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範（fàn）圍。由於注射機的規格已（yǐ）根（gēn）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）剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是（shì）相互有影（yǐng）響的，改變了某（mǒu）一個參數，其（qí）他參數（shù）也隨之而變。下（xià）麵分（fèn）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（yā）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的壓力降（jiàng）減（jiǎn）小，熔體在澆口中的流速增大，這就增（zēng）大了q,值（zhí）。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速（sù）度（dù）加快，所以，縮短澆口（kǒu）長度，在不增大澆（jiāo）口斷（duàn）麵的情況（kuàng）下，就能提高注射（shè）速率（lǜ）。同時，由於熔（róng）體在澆口中的流速提高，也即注射（shè）速度提高，熔體的表觀黏度（dù）也相應降低，這（zhè）是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有（yǒu）關（guān）。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長（zhǎng）度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵（miàn）尺寸 增大澆口斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值（zhí）隨（suí）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高（gāo）。所以，澆（jiāo）口截麵的增大（dà）有個極限值，這是大（dà）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（ér）使qv值減（jiǎn）小。所以，澆口斷（duàn）麵尺寸並非越大越好。相反，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的函數，熔體流速（sù）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。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（jīng）小澆口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏（nián）度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部（bù）分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低（dī）熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極（jí）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”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口（kǒu）的極限尺寸。對多數（shù）塑料來說，點澆口（kǒu）的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切（qiē）速率 因為大多數塑（sù）料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪（jiǎn）切速率（lǜ）的函數式可用式表示。即n.與y是（shì）指數函數關係，不是線型關係。如果剪切速（sù）率再高，表觀黏度值降低還（hái）要少。所以，東莞市馬（mǎ）馳科注塑加工廠（chǎng）要在曲線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影響有（yǒu）利於注（zhù）射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度（dù）影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆（jiāo）口（kǒu）的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除（chú）增大（dà）注射量和注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將流量傳送（sòng）至（zhì）澆口外，降低塑料熔體的（de）表（biǎo）觀黏度（dù）也（yě）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（shēng）高也有一定限製，不能高（gāo）於聚合物的降解溫度（dù），而且溫度（dù）提高將會增加塑（sù）件（jiàn）在模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是（shì）提高（gāo）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“熔體破碎”可能性的限製。提高（gāo）剪切速率可借助於小（xiǎo）澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩（liǎng）者兼備。

(二)流（liú）體在充模過程中的狀態（tài）

注射成型的第（dì）皿區段是聚合物熔體經澆口（kǒu）射入模具型腔的（de）過程，即充模過（guò）程。這是一（yī）個（gè）複雜的過程，一（yī）般為非等溫流動。由於這一注塑加工（gōng）過程的（de）分（fèn）析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。