一、聚合物熔體在（zài）簡單（dān）截麵導（dǎo）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（zhuàng）導管內流動的情況。如在注（zhù）射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經（jīng）澆注係（xì）統注入型腔內（nèi）;在（zài）擠出注塑加工成型中，熔體被（bèi）螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動（dòng）過程中的流量與（yǔ）壓力降的關係、切（qiē）應力與剪切速率的關（guān）係、物料流速分布、端末效（xiào）應等（děng）都是十分重要的，因（yīn）為（wéi）這對控製成型注塑加工工藝、塑件（jiàn）產量和質量、設計成型設備和模具都有（yǒu）直接關係。由於非牛頓（dùn）流體流變行為（wéi）的複雜性，目前隻能（néng）對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導（dǎo）管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑（jìng）為（wéi）R的圓形導管內作等溫穩（wěn）定的層流運動，且服從指數（shù）定（dìng）律。取距離 T 為r處（chù）的流體圓柱體單元，其長度（dù）為L,當它 ≈ 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（tǐ）截麵的乘積（jī）必等於切應力т與流體層（céng）間接觸麵（miàn）積的乘（chéng）積，圓形導管中（zhōng）流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大（dà）而（ér）在管壁處（chù）為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

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應力，所以，可用下麵函（hán）數關（guān）係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性（xìng）定律可以看為指數（shù）方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度（dù）η=ド，故也可得出相（xiàng）應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿（yán） 軸作上下平行（háng）移動而已（yǐ），因而K'和n可相應視作另（lìng）一個稠度和流動行（háng）為（wéi）指數，也稱表觀（guān）稠度與表觀（guān）流動行為指數。

(二)在（zài）扁形導槽內的流動

當（dāng）塑料熔體（tǐ）在（zài）等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時（shí）。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度（dù）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，此時扁槽兩側壁（bì）對流速（sù） 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得（dé）也就成為牛頓（dùn）流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端（duān）末效應與速度分布

如前所述，在推導流體在（zài）各種截麵（miàn）流道內流動（dòng）的（de）流動方程式時（shí），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（yīng）力為零，向管壁逐漸增大，而在管（guǎn）壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來（lái）說（shuō），這種速度分布 呈（chéng）拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管（guǎn）內時就不屬於穩定流動，流 體（tǐ）各（gè）質點的運動速度在大小和方（fāng）向上都隨時發生變化，因而其（qí）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（jiàng），至管壁處為零，流體（tǐ）在進入（rù）導管（guǎn）後須（xū）經一定距離，穩定狀態方（fāng）能形成（chéng），實驗測定，流體（tǐ）在此段（duàn）內的壓力降總是比用式算出的大。這是因（yīn）為（wéi）聚合物熔體在此（cǐ）區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口（kǒu）損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起的損耗，事實上這一段導管長度並不存在（zài），因而稱為“虛構長度”或“當量（liàng）長度”。當量（liàng）長度的長短隨具（jù）體條件而改（gǎi）變，實驗證明，聚（jù）合物熔體（tǐ）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（guǎn）約束，料流各點速度在此重新調整為相等的速度。

另（lìng）外（wài），在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性（xìng）恢複又出現膨脹（zhàng），而且（qiě）脹至比導管直徑還要大。當流出速（sù）度（dù）恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多（duō）。除上述入口與出口端末效應（yīng）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，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（xiàn）象稱為（wéi）“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往（wǎng）往采用改進成型口模和將（jiāng）流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符合指數（shù）函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成型中的流動過程（chéng），可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射（shè）機內旋轉螺（luó）杆與料筒之間進行輸送、壓（yā）縮、熔融塑化，並將塑（sù）化好的熔體儲存在料筒（tǒng）的端部。第II區（qū）段是（shì）儲存在料筒端（duān）部的塑料熔體受螺杆的（de）向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和（hé）澆口，開始射入型腔內（nèi）。這一區段的特點（diǎn）是各段流道長徑比較大（dà），截麵一（yī）般具有簡單的幾何形狀。注（zhù）射過程中塑（sù）料熔體流動的三個區段流體基（jī）本上不發生（shēng）物理、化學（xué）變化。第II區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（yī）區段完全在模（mó）具內完成，過（guò）程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定（dìng）導熱等方麵的知識（shí）。

(一)流體（tǐ）在流道中的狀態

注射成型中，流體在第（dì）II區（qū）段的流動要經（jīng）過多（duō）種（zhǒng）截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間（jiān）而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析（xī）。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態（tài）的分析。

注射成型的基本（běn）要求是根據型腔體積將足量的塑料熔（róng）體以較快的速（sù）度注入型腔，再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質（zhì）量均好的注射塑件。根據實踐經驗（yàn），由於注射機的規格已根據（jù）塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍即澆口可求出（chū）澆口截（jié）麵尺寸的範圍（wéi）。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（gé）已根據（jù）塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的（de）qv值已（yǐ）確定，因（yīn）此，根據（jù）表觀剪切速率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的，而是相（xiàng）互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分（fèn）別進行分析。

(1)澆口長（zhǎng）度L 當（dāng）注射（shè）壓力（lì）保持恒（héng）定時，則澆口入口處的壓力p1,保（bǎo）持不變，如果改短澆口長（zhǎng）度L,這就使熔體流經澆口的阻力（lì）減小，也（yě）就使澆口入口與出口之間的壓（yā）力降減小，熔體在澆（jiāo）口中的流（liú）速增大，這（zhè）就增（zēng）大了q,值。反映到注射螺杆上（shàng），螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增（zēng）大澆口斷麵的情況下，就能提高注射（shè）速率。同時（shí），由（yóu）於熔體在（zài）澆口中的流（liú）速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度（dù）與剪切（qiē）速率有（yǒu）關。又短澆口可以（yǐ）不被固封，可保持常（cháng）開。由於以上（shàng）理由，設計澆口（kǒu）長（zhǎng）度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有（yǒu）利（lì）於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆（jiāo）口截（jié）麵增大了，熔體在澆口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀（guān）黏度相應增（zēng）高。所以（yǐ），澆口截（jié）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（zēng）大，反而使qv值減小（xiǎo）。所以，澆口斷（duàn）麵尺寸並（bìng）非越大（dà）越好。相反，點澆口之所以（yǐ）成功，是因為絕大多數塑料熔（róng）體（tǐ）的表觀（guān）黏度是剪（jiǎn）切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它（tā）的（de）剪切（qiē）速（sù）率越大，因而（ér）表觀黏度越小（xiǎo），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（hěn）小，熔體流經小澆口（kǒu）時流速極大，剪切速率相應（yīng）也極大，表觀（guān）黏度很低。另外（wài），由於（yú）熔體高速流（liú）經小澆口，部分轉變為熱（rè）能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於（yú）降低熔體的表觀黏（nián）度。但是，當剪（jiǎn）切速率提高到極限值時，剪切速率（lǜ）與表觀黏度失去了（le）依存關係，稱（chēng）為（wéi）失去了“剪切速率（lǜ）效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表（biǎo）觀黏度不再降低（dī）。此時澆口的斷麵就是點澆口的極（jí）限尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑（sù）料。

(3)選（xuǎn）擇合理的剪切速（sù）率（lǜ） 因為大多（duō）數（shù）塑料熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑性（xìng）流體，其表（biǎo）觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與（yǔ）y是指數函數（shù）關（guān）係，不是（shì）線型關係。如果剪切速（sù）率再高，表觀黏（nián）度（dù）值降低（dī）還要少。所以，東莞市馬（mǎ）馳科注塑加工（gōng）廠（chǎng）要在曲線上選擇一段剪（jiǎn）切速率，使它對黏度的影響有利（lì）於注射，這是頗為重要的。一般（bān）來（lái）說，剪切速率取高值，黏度影響（xiǎng）小。而且盡可能高，這是（shì）大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀（guān）黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將（jiāng）流量傳送至（zhì）澆口外，降低塑料熔體的表觀黏（nián）度也（yě）是一個有效的辦法。降低黏度（dù）的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的（de）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（jiàng）低黏度的另一種辦（bàn）法是提高剪切速率，提高剪切速率也要受（shòu）到（dào）聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提（tí）高剪（jiǎn）切速（sù）率可（kě）借（jiè）助（zhù）於小澆口尺寸或增（zēng）大注（zhù）射壓力，也即增大切應力或（huò）兩者兼備。

(二)流體在充模過（guò）程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔（róng）體經澆口射入模具型腔的過程（chéng），即充模過程。這是一個複雜（zá）的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在（zài）這裏不作進一步的闡述。

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