一、聚合物（wù）熔體在簡單截麵導管內的流動（dòng）

在塑料注（zhù）塑加工成型（xíng）過程中，經常會遇（yù）到（dào）聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推（tuī）動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成（chéng）型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體（tǐ）在流動過程中的流量與壓力（lì）降的關係、切應力與剪切速（sù）率的關係、物料流速分（fèn）布、端末效應等都是十分重要的，因為這對（duì）控製成型注塑加工工藝（yì）、塑件產量（liàng）和質量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行（háng）為的複（fù）雜性，目前隻能對幾種簡（jiǎn）單（dān）截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研（yán）究聚合物熔體在圓形導管內的（de）流動狀況，假設其流體是在（zài）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（tǐ）層（céng）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與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可（kě）說明流體在（zài）圓形（xíng）導管內的（de）速（sù）度（dù）分布為什麽呈拋物（wù）線形。

對於牛頓流（liú）體或（huò）非牛頓黏性流體，由（yóu）於（yú）其剪（jiǎn）切速率隻依賴於（yú）所施（shī）加的切應力，所以，可用下麵函數（shù）關係來表示，對於牛頓流體（tǐ），由於牛頓黏性定律可以看為指數方程式（shì）r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應（yīng）的流速（sù）、體積流量及管壁處剪切速率的計算（suàn）公式（shì）。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作（zuò）上下（xià）平行移動而（ér）已，因而K'和n可（kě）相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠（chóu）度與表觀流動行為指數（shù）。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體（tǐ）在等溫條件下經扁（biǎn）形導槽作穩定層流運動（dòng）時。在扁形導槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位（wèi）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 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的（de）減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡（héng），得也就成為牛頓流體的流動行為，即（jí）為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為（wéi）黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前（qián）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（lùn）牛頓流體或非（fēi）牛頓流體，都假定流動屬穩（wěn）定流動狀態，切應力（lì）為零（líng），向（xiàng）管壁逐漸增大，而在（zài）管壁處（chù）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（bì）處為 零。對（duì）牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管（guǎn）內時就（jiù）不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生（shēng）變化，因而其速度分布（bù）幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極（jí）薄一層液（yè）層處，其速度驟降，至管壁處為（wéi）零，流體在進入（rù）導管後須經一定（dìng）距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓（yā）力降總是（shì）比用（yòng）式算出的大。這是因（yīn）為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速度（dù）調整消耗一（yī）部分的（de）結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起的損耗（hào），事實（shí）上這一段導管長度並不存在，因而（ér）稱為“虛構長（zhǎng）度”或“當量（liàng）長度”。當量（liàng）長度（dù）的長短隨具體條（tiáo）件而改（gǎi）變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般（bān）約為導（dǎo）管半徑的6倍，在（zài）此區（qū）域內，料流已經不受導管約束，料流（liú）各點速度在此重新（xīn）調整為相等的速度（dù）。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈（dàn）性（xìng）恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直（zhí）徑還要大。當流出（chū）速度恒定時（shí），導管越短，膨脹（zhàng）越嚴重，可達一倍之多。除（chú）上述入口與出口端末效應外，還有一種現（xiàn）象，即當剪切速率（lǜ）高達一定值時，流出物（wù）表麵呈粗糙狀（zhuàng），剪切速率越大，流出物越粗糙（cāo），甚至不能（néng）成流，很快斷（duàn）裂，這種現象稱為“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）將流量控製在一定範圍內來解決。為了分（fèn）析流體在穩（wěn）定流動時的速度（dù）分布，對於符合指數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（guò）程，可以分成三個區（qū）段。第I區段是塑料物（wù）料在注射（shè）機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔（róng）體儲存在料筒的端部。第II區（qū）段是儲存在（zài）料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模（mó）具（jù）的主流道、分流道和澆口，開（kāi）始射入型腔內。這一區（qū）段的特點是各（gè）段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的（de）幾（jǐ）何形狀。注射過程中塑料熔體流（liú）動的三個區段流（liú）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過程中的流動、相變及固化。這（zhè）一區段完全在模具內完成，過程（chéng）非常複雜，涉及三（sān）維流動、相遷移理（lǐ）論、不穩定導熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流（liú）體在流道中的狀態（tài）

注射成型中，流（liú）體在第II區段的流動要經過多種截麵（miàn）形狀的流道，這（zhè）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（chǎng）不穩定。盡管（guǎn）如（rú）此，仍可（kě）對（duì）其分別加以分（fèn）析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是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，效率地生產出外觀和內部質（zhì）量均（jun1）好的注射塑件。根據實踐經驗，由（yóu）於注射機的規格已根據塑件體積（jī）選（xuǎn）定，注射速（sù）率（lǜ）為已知值，也即理想的（de）qv值（zhí）已確（què）定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍（wéi）即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。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（sù）件體積選定，注射速率為已（yǐ）知值（zhí），也即（jí）理想的（de）qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是（shì）孤立的，而是（shì）相互有影響的，改變了某（mǒu）一個參數（shù），其他參數也隨（suí）之而（ér）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（rù）口處（chù）的壓力p1,保持不變，如果（guǒ）改（gǎi）短（duǎn）澆口長度L,這（zhè）就使熔體流經澆口的阻力（lì）減小，也就使澆口入口與出口之間的壓力降減小，熔體（tǐ）在（zài）澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射（shè）螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口（kǒu）斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在（zài）澆口（kǒu）中（zhōng）的（de）流速提高，也即注（zhù）射速（sù）度（dù）提高（gāo），熔體的（de）表觀（guān）黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的（de）表觀黏度與剪切速率有關。又（yòu）短澆口可（kě）以不被固封，可（kě）保（bǎo）持（chí）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 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（zēng）大了，熔體在澆口（kǒu）中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應（yīng）增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超（chāo）過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越大越（yuè）好（hǎo）。相反，點澆口之所以成（chéng）功（gōng），是因為絕（jué）大多（duō）數塑料熔（róng）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（jiǎn）切速率越大，因而表觀黏度越小，越容（róng）易注（zhù）射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠 采（cǎi）用小澆口（kǒu）意（yì）味著斷麵很（hěn）小，即（jí）R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率（lǜ）相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分（fèn）轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體（tǐ）的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了（le）依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀（guān）黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺（chǐ）寸。對（duì）多數塑料來說，點澆（jiāo）口的直徑（jìng）不（bú）大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合（hé）理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於（yú）非牛頓假塑性流（liú）體，其表（biǎo）觀黏度與剪切速率（lǜ）的函數式可用式表示。即n.與（yǔ）y是指數函數關係，不是（shì）線型關係。如果剪（jiǎn）切速率再高，表觀黏度（dù）值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇一（yī）段剪切速率，使（shǐ）它對黏度的影響有利（lì）於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取（qǔ）高值，黏（nián）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（nián）度 當模具充不滿時，除增大注射量和注（zhù）射（shè）速度，加大流道係統尺寸以（yǐ）便將流量傳（chuán）送至澆口外，降低塑料熔（róng）體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低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（yú）聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會（huì）增加塑件（jiàn）在模內的冷卻時間。降低（dī）黏度的另一（yī）種辦法是提高剪切速（sù）率，提高（gāo）剪切速率（lǜ）也（yě）要受到聚合物（wù）的降解（jiě）或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製（zhì）。提高剪切速率可（kě）借助於小（xiǎo）澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模過程中的狀態

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