一、聚合物熔體在簡單截麵（miàn）導管內的流動

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。如在注射（shè）過程中，熔體被柱塞推動前（qián）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，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中（zhōng）的流量與（yǔ）壓力（lì）降的關係（xì）、切應（yīng）力與剪切（qiē）速率的關係、物料流速分布、端末效應等都是十分重要的，因為這對（duì）控製（zhì）成型注塑加工工藝、塑件產量（liàng）和質量、設計成型設備和模具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓流體流（liú）變行為的複（fù）雜（zá）性，目前隻（zhī）能對幾種簡單截（jié）麵導管內（nèi）的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔（róng）體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為（wéi）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 T 為r處的（de）流體圓柱體單元，其（qí）長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時（shí），在流體層間產生摩擦力，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（jiān）接觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流動（dòng）液體受力分析。由此看（kàn）出，切應力為零（líng），逐漸增大（dà）而在管壁處為，據此進一步推導的結（jié）果，又可說（shuō）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性流（liú）體，由於其剪切（qiē）速率隻依賴（lài）於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓（dùn）流（liú）體，由於牛頓黏（nián）性定律可以看為指（zhǐ）數方程式（shì）r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏（nián）度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量（liàng）及管壁處剪切速率的（de）計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平（píng）行移動而已，因（yīn）而K'和（hé）n可相應視作另一個（gè）稠度（dù）和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料（liào）熔體在等溫條件下經扁形導槽（cáo）作（zuò）穩定層流運動時。在扁形導槽（cáo）內（nèi）取一矩形單元體，其厚度（dù）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（yú）扁槽上下（xià） 平行（háng）麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對（duì）流（liú）速 的減緩作用可忽（hū）略不計)，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，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前（qián）所述，在推（tuī）導流體（tǐ）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（liú）體（tǐ），都假定流動屬穩定流動狀態（tài），切應力為（wéi）零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。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，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流（liú）體由儲槽、大管進入導管（guǎn）內時就不屬於穩定（dìng）流（liú）動（dòng），流 體各質點的運（yùn）動（dòng）速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平（píng）坦而成一直線。隻有貼近管壁（bì）極薄一層液層處，其速度驟降（jiàng），至管壁處為零，流體在進入導（dǎo）管後須經一定距離（lí），穩定狀態方能形（xíng）成，實驗測定，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域內產（chǎn）生彈性變形和速度調整（zhěng）消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人（rén）設想為相當於一段（duàn）導管所引起的損耗，事實上這（zhè）一段導管長（zhǎng）度並不存在，因而稱為“虛（xū）構長度”或“當量（liàng）長度”。當量長度的長（zhǎng）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（jìng）的6倍，在此區域內，料（liào）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。

另外（wài），在出口區，假塑性流體繼收（shōu）縮（suō）之（zhī）後由於彈（dàn）性恢複（fù）又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流出（chū）速度恒定時，導管越短，膨脹越（yuè）嚴重（chóng），可（kě）達一倍之（zhī）多。除上述入口與出口端末效應外（wài），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（yuè）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”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往采用（yòng）改進成型口模和將流量控製（zhì）在一定範圍內來解（jiě）決。為了分析流（liú）體在穩定流動時的速度分布，對於符合指數函數（shù）方程式的非牛頓流體和牛頓（dùn）流體（tǐ）。

二、注射成型中的（de）流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑（sù）化，並（bìng）將塑化好的熔體（tǐ）儲（chǔ）存在料筒的端（duān）部。第II區段（duàn）是儲（chǔ）存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流（liú）道（dào）、分流道（dào）和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流（liú）道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何形（xíng）狀。注射過程（chéng）中塑料熔體流（liú）動（dòng）的三個區段流體基本上不發生（shēng）物理、化學（xué）變（biàn）化。第II區（qū）段是塑料熔體（tǐ）經澆口射入型腔過程中的（de）流動、相變及固化。這一區段完全在模（mó）具內（nèi）完成，過程非常複雜，涉及三維流（liú）動、相遷移理論、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，流體在第II區段的流動（dòng）要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流（liú）道、分流道（dào）和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍（réng）可對（duì）其分別加以（yǐ）分析。這（zhè）裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射（shè）成型的基本要求是根據型腔（qiāng）體（tǐ）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，效率地生產出外觀（guān）和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於（yú）注射機的規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，根據表觀剪切速率範圍（wéi）即澆口可求出澆口截麵（miàn）尺寸的（de）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根據塑件體積選定（dìng），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（shì）相互有影響的，改變了某一（yī）個（gè）參數，其（qí）他參數也隨之而變（biàn）。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入（rù）口（kǒu）處的壓力p1,保持（chí）不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流（liú）經澆口的阻力減小，也（yě）就使澆口（kǒu）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。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短（duǎn）澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注（zhù）射速率。同時，由於熔體在澆口中的流（liú）速提高，也即注射速度提高，熔體的表（biǎo）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。又短澆（jiāo）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（shí），總是取值。

(2)澆口斷麵（miàn）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（zēng）長（zhǎng）。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中（zhōng）的流速減慢，熔體的表觀黏（nián）度相應增高。所以（yǐ），澆口截麵的增大有個極（jí）限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過此值時（shí），再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以（yǐ）成功，是因為絕（jué）大多數塑料（liào）熔體的表觀黏度是（shì）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，越容易注射。東莞市（shì）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（jīng）小澆口時流速極大，剪切速率相應（yīng）也極大，表觀黏度很低。另外，由於（yú）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（de）局部溫度，也有（yǒu）利於降低熔（róng）體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到（dào）極限值時（shí），剪切速率（lǜ）與表觀黏度（dù）失去了依存關係，稱為失（shī）去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速（sù）率（lǜ）再增加，表觀黏度不再降（jiàng）低（dī）。此時澆口的斷麵（miàn）就是點澆口的極限尺寸。對多數（shù）塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）口的直徑（jìng）不大於 1.5mm,對較黏的塑料（liào）。

(3)選擇（zé）合理的（de）剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其表（biǎo）觀（guān）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，不是線型關係。如果（guǒ）剪切速率（lǜ）再高，表觀黏（nián）度值（zhí）降低還要（yào）少。所以，東莞市馬（mǎ）馳科注塑加工廠（chǎng）要在曲（qǔ）線上選擇一段剪切速率，使它對（duì）黏度的影響有利於注射（shè），這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏（nián）度影響小。而且（qiě）盡可能高，這是大尺寸澆口的模（mó）具所難以達到的。

(4)表觀黏度（dù） 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（cùn）以便將流量傳送至（zhì）澆口外，降低塑（sù）料熔體的表（biǎo）觀黏度也是一個有效的辦法。降（jiàng）低（dī）黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降（jiàng）解溫（wēn）度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的另一種（zhǒng）辦法是提高剪切速率，提高剪切（qiē）速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及（jí）“熔體破碎”可（kě）能性的限製。提高剪切速率可借助於小（xiǎo）澆（jiāo）口尺寸或增大注射壓力，也即增大切（qiē）應力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模過程（chéng）中的狀態

注射成型的第皿區段（duàn）是聚（jù）合物熔體經澆口射入模具型腔的（de）過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，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，在這裏（lǐ）不作進一（yī）步的闡述。