一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成（chéng）型過程中，經常（cháng）會遇到聚合物熔體在各種（zhǒng）幾何形狀導管內流動的情況。如（rú）在注射過程（chéng）中，熔體被柱塞推動前進（jìn），從噴嘴經澆（jiāo）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（zhǒng）口模（mó）。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物（wù）料流速分布、端末效應等都是十分（fèn）重要（yào）的，因為這對控製成型注塑加工（gōng）工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛（niú）頓流體流（liú）變行為的複（fù）雜性，目前隻能對（duì）幾種（zhǒng）簡單截麵導管內（nèi）的流動作（zuò）定量的計算。

(一)在圓形（xíng）導管（guǎn）內的流（liú）動

為了研究聚合（hé）物（wù）熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體（tǐ）是在半徑為R的（de）圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從指數定律（lǜ）。取距離（lí） T 為r處的流體（tǐ）圓柱體單元，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產（chǎn）生摩擦力，於是（shì），其中壓力降（jiàng）Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切（qiē）應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由（yóu）此看（kàn）出，切應力為零（líng），逐漸增大而在管壁處為，據此（cǐ）進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速（sù）度分（fèn）布為什（shí）麽呈（chéng）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（sù）率隻依賴於（yú）所施加（jiā）的切應力，所（suǒ）以，可用下（xià）麵函數關係來表示，對於牛（niú）頓流體，由於牛頓黏性定律可以（yǐ）看為指數方程式r=Ky”中n=1時的（de）特例，此（cǐ）時牛頓（dùn）黏度η=ド，故也可得出相應的（de）流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線（xiàn）幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另（lìng）一個（gè）稠度和流動行為指數，也稱（chēng）表觀稠度（dù）與表（biǎo）觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當（dāng）塑料熔體在等溫條件下經（jīng）扁形導槽作穩定層（céng）流運動時（shí）。在扁形導槽內取（qǔ）一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定（dìng）扁槽上下兩麵（miàn）為無限寬平行麵(扁槽（cáo）寬度W應大於扁（biǎn）槽上下 平行（háng）麵距離2B的20倍，此時扁（biǎn）槽兩（liǎng）側壁對（duì）流速 的（de）減緩作用可（kě）忽（hū）略不計)，根據力的平衡，得也就（jiù）成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性（xìng）定律方程式，此處K就成（chéng）為黏度n.

(三)端末效應與（yǔ）速度分布

如前所述，在推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀（zhuàng）態，切應力為零，向（xiàng）管壁逐漸增大（dà），而在管壁處為。因而，流體在導管內的（de）速度分布為零，向管壁逐漸減（jiǎn）少，而（ér）在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度（dù）分布 呈拋物線形;但是，當流體由（yóu）儲槽、大管進入（rù）導管內時就不屬於穩定流動（dòng），流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分（fèn）布幾乎平（píng）坦而（ér）成一直線。隻有貼近（jìn）管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管（guǎn）壁處為零，流體在進入導管後須經一（yī）定距離，穩定狀（zhuàng）態方能形（xíng）成，實驗測（cè）定，流體在此（cǐ）段內的壓力降（jiàng）總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域（yù）內產生（shēng）彈性變形和速度調整消（xiāo）耗一（yī）部分的結果。

這種入口損耗（hào）曾有人設想（xiǎng）為相當於一（yī）段導管所引起的（de）損耗（hào），事實上這（zhè）一段導管長度並不存在（zài），因而稱為“虛構長度（dù）”或“當量長度”。當（dāng）量長度的長短隨具體條件（jiàn）而改變，實驗證明（míng），聚合物熔體的當量長度一般（bān）約為導（dǎo）管半徑的（de）6倍（bèi），在此區域內，料流已經不受導（dǎo）管約束，料流各點速度在此重（chóng）新調整（zhěng）為相等的速度。

另外，在（zài）出口區，假塑性（xìng）流體繼收縮之後由於彈性恢（huī）複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當（dāng）流出速度恒定時，導管越短，膨脹越（yuè）嚴（yán）重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效（xiào）應外，還有（yǒu）一種現象，即當剪切速率高達（dá）一定值（zhí）時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率（lǜ）越大，流出物越（yuè）粗（cū）糙（cāo），甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為（wéi）“熔體破碎”。在（zài）擠出注塑加（jiā）工成型中往往采用改進成型口模和（hé）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，對於符合指數函數方程式的非（fēi）牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態（tài）分析

注射成型中的（de）流動過（guò）程（chéng），可以分成三個區段。第（dì）I區段是塑料物料（liào）在注射機（jī）內旋轉螺杆與料筒之（zhī）間（jiān）進行輸送（sòng）、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（cún）在（zài）料（liào）筒端部的塑料熔體（tǐ）受螺杆的向前推壓通過噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道（dào）和澆口（kǒu），開始射入（rù）型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中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。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔（qiāng）過程（chéng）中的流動、相變及（jí）固（gù）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（dòng）、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道（dào）中（zhōng）的狀態

注射成型中，流體在第（dì）II區段的流動要經過多（duō）種截麵形（xíng）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（hé）澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此（cǐ），仍可對其分別加以分析。這裏，重要（yào）的是對（duì）塑（sù）料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求（qiú）是（shì）根據型腔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，效率（lǜ）地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速（sù）率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確（què）定，因此，根據表觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求（qiú）出澆口截麵尺（chǐ）寸的（de）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（gēn）據塑件（jiàn）體（tǐ）積選定，注射速率為（wéi）已知值，也（yě）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澆口截（jié）麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們之間不是孤立（lì）的，而是相互有影響的，改（gǎi）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（dù）L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處的壓力（lì）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，熔體在澆口中的流速增大，這（zhè）就增大了q,值。反（fǎn）映到注（zhù）射螺（luó）杆上，螺杆向前推（tuī）進的速度加快，也即（jí）注射速度加快，所以（yǐ），縮（suō）短澆口（kǒu）長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時（shí），由於熔（róng）體在澆口中的流速提高，也即注射速（sù）度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛（niú）頓流體的表觀（guān）黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆（jiāo）口長（zhǎng）度L時，總是取值。

(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成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口（kǒu）中的（de）流速（sù）減慢，熔體的表觀黏度相（xiàng）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（shàng）限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀（guān）黏度的（de）增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越大越好。相反，點澆口之（zhī）所以成功，是因為絕大（dà）多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小（xiǎo），越容（róng）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，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相（xiàng）應也極大（dà），表觀黏度很低。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（bù）溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是（shì），當剪（jiǎn）切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀（guān）黏度失去了依存關係（xì），稱為失去了“剪切速率（lǜ）效應（yīng）”。超過（guò）此極（jí）限值時，剪（jiǎn）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（jiào）黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體（tǐ）都屬於非牛頓假塑性流體，其（qí）表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線（xiàn）型關係。如果剪切（qiē）速率（lǜ）再高，表觀黏度（dù）值降低還（hái）要少（shǎo）。所以，東莞市（shì）馬馳科注塑加工（gōng）廠要在曲（qǔ）線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的（de）影響（xiǎng）有（yǒu）利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速（sù）率取高值，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的。

(4)表觀黏度 當模具充不（bú）滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統（tǒng）尺寸以便將流量傳送至澆口外，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（yī）種辦法是升高溫度，然而（ér）溫度（dù）的升高也有一定限製，不能（néng）高於聚（jù）合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的（de）冷卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切（qiē）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（xìng）的限製。提高剪切速率可（kě）借助於（yú）小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力（lì）或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區（qū）段是聚合物熔體經澆（jiāo）口射入模具型腔的過（guò）程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等（děng）溫流動。由於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏（lǐ）不作進（jìn）一步的（de）闡述。