一、聚合物熔（róng）體在簡單截麵導管內的流動

在塑（sù）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。如在注射過程中，熔體被柱（zhù）塞推（tuī）動前進，從（cóng）噴嘴經澆（jiāo）注係統注入型（xíng）腔（qiāng）內;在擠（jǐ）出注塑加工成型中，熔體被螺杆（gǎn）擠進各種口模。研究熔體在（zài）流動（dòng）過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率（lǜ）的關係、物料流速（sù）分布、端末效應等都是（shì）十分（fèn）重要的，因為這對控製（zhì）成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設（shè）計成型設備（bèi）和模具（jù）都有直接關係。由於非牛（niú）頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截（jié）麵導管（guǎn）內（nèi）的流動作定（dìng）量的計算。

(一)在圓形導管內的（de）流動（dòng）

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流（liú）動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從指數定律。取距（jù）離 T 為r處的流體圓（yuán）柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力（lì），於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體層間接（jiē）觸麵積的乘積，圓形導管中流動（dòng）液體（tǐ）受力分析。由此看出（chū），切應（yīng）力為零，逐漸增大（dà）而在管壁處為，據此進（jìn）一步推導的（de）結果（guǒ），又（yòu）可說明流體在圓形導管內的速（sù）度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏（nián）性流體，由於其剪切速率隻依（yī）賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對（duì）於牛頓流體，由於牛（niú）頓黏（nián）性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例（lì），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公式。線幾何形（xíng）狀相似，隻是沿 軸作上（shàng）下平行移動而已，因而K'和（hé）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為指（zhǐ）數。

(二)在扁（biǎn）形（xíng）導槽內的流動

當塑料熔（róng）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（cáo）內取（qǔ）一矩形單（dān）元（yuán）體，其（qí）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（xià） 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡（héng），得（dé）也就成為牛頓流體（tǐ）的流動行為，即為牛頓（dùn）黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分（fèn）布

如前所述，在（zài）推導流體（tǐ）在各種截麵流道內流動的流動方程式（shì）時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定（dìng）流（liú）動（dòng）屬（shǔ）穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流（liú）體（tǐ）在（zài）導管內的速度分布（bù）為（wéi）零，向管壁逐漸減少（shǎo），而（ér）在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種（zhǒng）速度分布 呈拋物線形;但是，當（dāng）流體由儲（chǔ）槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流（liú） 體（tǐ）各質點的運動速度在大小（xiǎo）和方向上都（dōu）隨時發生變化，因（yīn）而（ér）其速度分（fèn）布幾乎平坦而成一直線。隻有（yǒu）貼近管壁極薄一層液層處，其速度（dù）驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定（dìng）狀態方能形成，實（shí）驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區（qū）域內（nèi）產生（shēng）彈性（xìng）變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損（sǔn）耗曾有人設（shè）想為相當於一段（duàn）導管所引起的損耗，事實上這一段導管長度並不存（cún）在，因而稱為“虛構長度”或（huò）“當量長度（dù）”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量（liàng）長度一般約為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料（liào）流已經不受導管約束，料（liào）流各點速度在此重新調整為相（xiàng）等的速度。

另外，在出口區，假塑性（xìng）流體繼收縮之後（hòu）由於（yú）彈性恢複又（yòu）出現膨脹，而且脹至比導（dǎo）管直（zhí）徑還要大。當流出速度恒定時，導（dǎo）管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之（zhī）多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪（jiǎn）切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗（cū）糙狀，剪切速率越大，流出物越粗（cū）糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體（tǐ）破碎”。在擠出注（zhù）塑加工成型中往往采用改進成型口模和將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（fèn）布，對於（yú）符合指數函數方程式的非牛（niú）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，可以分（fèn）成三個區段。第I區段是塑料物料在注射（shè）機內旋（xuán）轉（zhuǎn）螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑（sù）化好的熔體（tǐ）儲存在料筒的端（duān）部。第II區段（duàn）是（shì）儲存在料筒端（duān）部（bù）的塑（sù）料（liào）熔體受（shòu）螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具（jù）的主流道、分流（liú）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（jié）麵（miàn）一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中（zhōng）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（huà）。第II區段是塑料熔體經澆（jiāo）口射入（rù）型腔過程中的流動、相變及（jí）固化。這一（yī）區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及（jí）三維流動、相遷移理論、不穩定導（dǎo）熱等方麵的知識。

(一)流體在（zài）流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道（dào），這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡（jìn）管（guǎn）如此，仍可（kě）對其分別加以分析（xī）。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口（kǒu）時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要求是根據型（xíng）腔體積將足量的塑料熔體以較快的（de）速度注入（rù）型（xíng）腔，再配合其他各種條件（jiàn），效率地生產出外（wài）觀和（hé）內部質量均好（hǎo）的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定（dìng），注射速率為（wéi）已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可（kě）求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定，因此（cǐ），根（gēn）據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸（cùn）的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互（hù）有影響的，改變了某一個參數（shù），其他參數也隨之而變。下麵（miàn）分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注（zhù）射壓力（lì）保持恒（héng）定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短（duǎn）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減小，熔體在（zài）澆口中的流（liú）速增（zēng）大，這就（jiù）增大了q,值。反映到注射螺杆（gǎn）上，螺杆向前推進的速度（dù）加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的（de）流速（sù）提高，也即注（zhù）射速度提高，熔（róng）體的表觀黏度也相應（yīng）降低，這是由於非牛頓流（liú）體的表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可（kě）保持常開。由於以上理（lǐ）由，設計澆口長度L時，總（zǒng）是（shì）取值（zhí）。

(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（chéng）比例（lì）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（nián）度相（xiàng）應增高。所以，澆口截麵的增大有個極（jí）限值，這是大澆口的上限。超過此（cǐ）值時，再（zài）增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小（xiǎo）。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好（hǎo）。相反，點澆口之所以成功（gōng），是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率（lǜ）的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切（qiē）速（sù）率（lǜ）越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆（jiāo）口時流速極大，剪切速（sù）率相應也極大（dà），表觀黏度很低。另外（wài），由（yóu）於熔（róng）體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處（chù）的局（jú）部溫度，也有利於降（jiàng）低熔體的表（biǎo）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（nián）度失（shī）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（duì）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（jiǎn）切速率 因為大多數塑料熔體都屬（shǔ）於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式（shì）表示（shì）。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率（lǜ）再高，表觀（guān）黏度值降低還要少。所以（yǐ），東（dōng）莞市馬（mǎ）馳科注塑加工廠要在曲（qǔ）線上選（xuǎn）擇一段剪切速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般（bān）來說，剪切速率取（qǔ）高值，黏度影響小。而且盡可能高，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（jù）充不滿時，除增大注（zhù）射量和注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆（jiāo）口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個（gè）有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦法是（shì）升高溫度（dù），然而溫度的升高也有一定限（xiàn）製，不能高於聚合物的降（jiàng）解溫度，而且溫度（dù）提高將會增加塑件在模內（nèi）的冷（lěng）卻時（shí）間。降低黏度的（de）另一種辦法是提高剪（jiǎn）切速率，提高剪切速（sù）率也要（yào）受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限（xiàn）製。提（tí）高剪切速率（lǜ）可借助於小澆口尺寸或（huò）增大注射壓（yā）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（tài）

注射成型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射入（rù）模具型（xíng）腔的過程，即充模過程。這是一（yī）個複雜的（de）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（jìn）一步的闡述。

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