一、聚合物熔體（tǐ）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（jù）合物熔體在（zài）各種幾何形狀導管（guǎn）內流動（dòng）的情況。如在注射過程中，熔體（tǐ）被柱塞推（tuī）動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注（zhù）塑加工成型中（zhōng），熔（róng）體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與（yǔ）壓力（lì）降的關係、切應力（lì）與（yǔ）剪切速率的關係、物料流速分布（bù）、端（duān）末效應等都（dōu）是（shì）十分重要的，因為這對控製成型注（zhù）塑加工工藝、塑件產量和質量、設（shè）計成型設備和（hé）模具都有直接關係。由（yóu）於非牛頓流體流（liú）變（biàn）行為的複雜性，目前（qián）隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算（suàn）。

(一)在圓形導管內的流動

為（wéi）了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在（zài）半徑為（wéi）R的（de）圓形導管內作等溫穩（wěn）定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當（dāng）它 ≈ 由（yóu）左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力（lì）降Δp與（yǔ）圓（yuán）柱體截麵（miàn）的乘積必等於切應力（lì）т與流體層間接（jiē）觸麵積的乘積，圓形導管中流動液（yè）體受力分析。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（guǒ），又（yòu）可（kě）說明流體在圓形（xíng）導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對（duì）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（de）切應力，所以，可用下麵函數關係（xì）來表（biǎo）示，對於牛頓流體，由於牛（niú）頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時（shí）的特例，此時（shí）牛頓（dùn）黏度η=ド，故也可（kě）得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀（zhuàng）相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行（háng）為指數。

(二)在扁形（xíng）導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經（jīng）扁形導槽作穩定層流（liú）運動時。在扁形導槽內取一矩形單（dān）元體，其厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上（shàng）下（xià）兩麵為無限寬平行（háng）麵(扁槽寬度W應（yīng）大於扁（biǎn）槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流（liú）速 的減緩作用（yòng）可忽略（luè）不計（jì）)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流（liú）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（duān）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方（fāng）程式時，不論牛（niú）頓流體或非牛（niú）頓流體（tǐ），都假定流（liú）動屬穩定流動狀態，切應力（lì）為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而（ér），流體在導管內的（de）速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對（duì）牛頓流體來說，這種速度分布 呈（chéng）拋物線形（xíng）;但是，當流體由儲槽、大管（guǎn）進入導管內時就不（bú）屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和（hé）方向上都（dōu）隨時發生變（biàn）化，因而其速度分布幾乎平坦而成（chéng）一直線。隻有貼近（jìn）管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為（wéi）零（líng），流體在進入導管後須經一定（dìng）距離，穩定狀態方（fāng）能形成，實驗測定（dìng），流體在此段內的壓（yā）力降（jiàng）總是比用式算出的大（dà）。這是因為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的（de）結果。

這種入口損耗曾有（yǒu）人設（shè）想為相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一段導（dǎo）管長（zhǎng）度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度（dù）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，料流已經不受導管約束，料流各點速度在（zài）此重（chóng）新調（diào）整為相等的速度。

另外，在出（chū）口區，假塑性流（liú）體繼收縮之後（hòu）由於（yú）彈（dàn）性恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導管直（zhí）徑還要大（dà）。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達（dá）一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現（xiàn）象，即當剪（jiǎn）切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在（zài）擠出注塑加工成型中往往（wǎng）采用改進成（chéng）型口模和將流（liú）量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動（dòng）時的速度分布，對於符合指數函數方（fāng）程式的非牛頓流體和牛頓流（liú）體。

二、注射成型（xíng）中的流動狀態分析

注射成型中的（de）流動過（guò）程，可以分成三個（gè）區段。第I區（qū）段是塑（sù）料物料在（zài）注射機內旋轉（zhuǎn）螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將（jiāng）塑化好的熔體儲存在料筒（tǒng）的端部。第II區段是儲存（cún）在料筒（tǒng）端部的塑料熔體受（shòu）螺杆的（de）向前推壓通過噴（pēn）嘴、模具的主流（liú）道（dào）、分流道（dào）和澆口（kǒu），開始射入型腔內（nèi）。這一區段的特點是各段流道長徑比較（jiào）大，截麵一般具有（yǒu）簡單的幾何（hé）形狀。注射過程中塑料（liào）熔（róng）體流動的（de）三個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第（dì）II區（qū）段是塑料熔體經澆口射入型腔（qiāng）過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完（wán）成，過程非常複雜，涉及三維流動、相（xiàng）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（tǐ）在第II區（qū）段的流動要（yào）經（jīng）過多種截麵形狀的（de）流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆（jiāo）口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其（qí）分別加以分析。這裏，重要的是對塑（sù）料熔體流（liú）經澆口時（shí）狀態的分析。

注射成型的基（jī）本要求是根據型腔體積將足（zú）量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再（zài）配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據（jù）實踐經驗，由於注射機的規（guī）格已根據塑件體積選定（dìng），注（zhù）射速（sù）率為已知值，也即理想的qv值已（yǐ）確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出（chū）澆（jiāo）口截麵尺（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（guī）格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立（lì）的，而（ér）是相互有影響的，改變了某一個（gè）參數，其他參數也隨之而變。下（xià）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（de）壓力p1,保持不變，如果改（gǎi）短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻（zǔ）力減小，也就（jiù）使（shǐ）澆口入口與出口之間（jiān）的（de）壓力降減小（xiǎo），熔體在澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推（tuī）進的速度加快（kuài），也（yě）即注射（shè）速度（dù）加快，所以，縮短澆（jiāo）口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能（néng）提高注射速率（lǜ）。同時，由於熔體在澆（jiāo）口中的流速提高，也即（jí）注射速度提高，熔體的（de）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（yòu）短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸（cùn） 增大澆口（kǒu）斷麵有利（lì）於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長（zhǎng）。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增（zēng）大有個極（jí）限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過此（cǐ）值時，再增大截（jié）麵，由於表（biǎo）觀黏度的增大（dà），反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並（bìng）非越大越好（hǎo）。相反，點澆口之所以成（chéng）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（shù），熔體流速（sù）越（yuè）快，即qv越大，它的剪切速率越大，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（cǎi）用小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔體（tǐ）流經小澆口時流速極大（dà），剪切速率（lǜ）相應也極大（dà），表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱（rè）能（néng），遂提高了（le）澆口處的局（jú）部溫度，也有（yǒu）利於降低熔體的表觀黏度（dù）。但是，當剪切速率提高到（dào）極限值（zhí）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（jí）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（jiāo）口的極限尺寸（cùn）。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於（yú） 1.5mm,對較（jiào）黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因（yīn）為（wéi）大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑（sù）性（xìng）流（liú）體，其表觀（guān）黏度與剪切速率的（de）函數式可用式表示（shì）。即n.與（yǔ）y是指數函（hán）數關係（xì），不是線型關係。如果剪切速率再（zài）高（gāo），表觀（guān）黏度值降低還要少。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（tā）對黏度的影響有（yǒu）利於（yú）注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這（zhè）是大尺寸澆口的模（mó）具所難以達（dá）到的。

(4)表（biǎo）觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統尺（chǐ）寸以便將流量傳送至澆口外（wài），降（jiàng）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（yī）種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚（jù）合物的降解溫度，而（ér）且（qiě）溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻（què）時間。降（jiàng）低黏（nián）度的另一種辦法是提高（gāo）剪切速（sù）率，提高剪切速率也要受（shòu）到聚合物的降解或燒（shāo）焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大（dà）注射壓力（lì），也即增（zēng）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（xíng）的第皿區段是聚合物（wù）熔體經澆口（kǒu）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（wēn）流動。由於這一注塑加工（gōng）過程（chéng）的分析過於複雜，在（zài）這裏不作（zuò）進一步的闡述。