一、聚合物熔體在簡單截麵導管內（nèi）的流動

在塑料注塑（sù）加工成型過程中，經常會（huì）遇到聚合物熔體在（zài）各（gè）種幾何形狀導管（guǎn）內流動的情況。如在注射（shè）過（guò）程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠（jǐ）出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究（jiū）熔體在流動過程中的（de）流量與壓力降的關係、切（qiē）應力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應等都（dōu）是十（shí）分重要的，因為這對控製（zhì）成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型（xíng）設備和模具都有直接關係（xì）。由於非（fēi）牛頓流體流變行為的複（fù）雜性，目（mù）前隻能對（duì）幾（jǐ）種簡單截麵導管內的流動作定量的（de）計算。

(一)在（zài）圓（yuán）形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形（xíng）導管（guǎn）內的（de）流動狀況，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（liú）運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體（tǐ）層間產生摩擦力，於是，其中壓力（lì）降Δp與圓柱體截麵的乘積（jī）必等（děng）於切（qiē）應力т與流體層間接觸麵積的乘積（jī），圓（yuán）形導管中（zhōng）流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此（cǐ）進一步推導的結果，又可說明流（liú）體在圓形導管內的速度分（fèn）布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛（niú）頓黏性（xìng）流體，由於其剪切速率（lǜ）隻依賴於所施加的切應（yīng）力，所以，可用下麵函數關係來（lái）表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律可以（yǐ）看為指數方程（chéng）式r=Ky”中n=1時的特例，此（cǐ）時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量及（jí）管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上（shàng）下平行移動（dòng）而已，因（yīn）而K'和n可相應視作另（lìng）一（yī）個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀（guān）流動行（háng）為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下（xià）經扁形導槽作穩定（dìng）層流運動時。在扁形導槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定（dìng）扁槽上（shàng）下兩麵（miàn）為無限寬平行（háng）麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的（de）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，得（dé）也就成為牛頓流體的流動行為（wéi），即（jí）為牛頓黏性定律（lǜ）方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效（xiào）應與速度分布

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（tǐ）或非牛頓流體，都假定流動屬穩（wěn）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，流體在導管（guǎn）內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為（wéi） 零（líng）。對牛頓流體來說，這種（zhǒng）速度分布（bù） 呈拋物線形;但是，當流（liú）體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定（dìng）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）布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層液層處，其（qí）速度（dù）驟降，至管壁（bì）處為零（líng），流體在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定狀態（tài）方能形成，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（róng）體在（zài）此區域內（nèi）產生彈性變形和速度調（diào）整消耗一（yī）部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於（yú）一段導管所引起的（de）損耗，事實上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量（liàng）長度”。當量長度的長短隨具體條（tiáo）件而改變，實驗證明，聚合物熔（róng）體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（jīng）不受導管約束（shù），料（liào）流各點速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大（dà）。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除（chú）上述入口與出（chū）口端末效應外，還有一種現（xiàn）象，即當（dāng）剪切速率高達一定值時，流（liú）出物表麵呈（chéng）粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至（zhì）不能成流，很快（kuài）斷裂（liè），這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中（zhōng）往往采用（yòng）改進成型（xíng）口模和將流量控製（zhì）在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流（liú）動時的速度分（fèn）布，對於符合指數函數方程式的（de）非牛頓流體和牛頓（dùn）流體。

二、注射成型中的流動狀態分（fèn）析

注（zhù）射成型中（zhōng）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（suō）、熔（róng）融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端（duān）部的塑料熔體受（shòu）螺杆的（de）向前推壓通過噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道和澆（jiāo）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，截麵一般具（jù）有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔（róng）體流動的三個區段流體基本上不發生物理（lǐ）、化學變化。第II區段是塑料熔（róng）體經澆口射入型腔過程中的流動、相變（biàn）及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及（jí）三（sān）維流動、相遷移理（lǐ）論、不穩定導熱（rè）等方麵的知識。

(一)流體在流（liú）道中的（de）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（zhè）裏阻力變化（huà）複（fù）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，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分（fèn）析。

注（zhù）射成型的（de）基本要（yào）求是根據（jù）型腔體積將足量的塑料熔體以較快（kuài）的速度注入型腔（qiāng），再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部（bù）質量均（jun1）好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的（de）規（guī）格已根據塑件體積選定（dìng），注射速（sù）率為已知值，也即理想的qv值已確定，因（yīn）此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的（de）範圍。也即（jí）求出R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由於注射機的規（guī）格已根據塑件體積選（xuǎn）定，注射速率為已知值，也（yě）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（qiú）出澆口截麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其（qí）他參數也隨之（zhī）而變。下麵分別（bié）進行分析（xī）。

(1)澆口長度L 當注射壓力（lì）保持恒定時，則澆（jiāo）口入口（kǒu）處的壓力p1,保持不變，如（rú）果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口（kǒu）的阻（zǔ）力減小，也（yě）就使澆口入口與出（chū）口之間的壓力降減小，熔體在（zài）澆口中（zhōng）的流速增大，這（zhè）就增大（dà）了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推（tuī）進的速度加快（kuài），也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷（duàn）麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射（shè）速度提高，熔體的表觀黏度（dù）也相應降（jiàng）低，這是由於非牛（niú）頓流體的表觀黏度與剪切速率有關。又短（duǎn）澆口可以不被固封，可保持常開。由於（yú）以上理由，設計澆口長度L時，總是取值（zhí）。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵（miàn）有利於（yú）qv值（zhí）的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是（shì），澆口（kǒu）截麵增大了，熔體在（zài）澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應（yīng）增（zēng）高。所以，澆口截麵的增大有（yǒu）個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再（zài）增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口（kǒu）斷麵（miàn）尺寸並非（fēi）越大（dà）越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函（hán）數，熔體流速越快，即qv越（yuè）大，它的剪切速率越大（dà），因而表觀黏度越小（xiǎo），越容易注射。東（dōng）莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠 采用小澆口意味著斷麵很小（xiǎo），即R很小，熔（róng）體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極（jí）大，表觀（guān）黏度很低。另外，由於熔體高速流經（jīng）小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局（jú）部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切（qiē）速率與表觀黏度失（shī）去了依存關係，稱為失去（qù）了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降（jiàng）低。此時澆口的斷麵（miàn）就（jiù）是點（diǎn）澆口的極（jí）限尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）口的直徑（jìng）不（bú）大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速（sù）率 因為大多數塑料熔體（tǐ）都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏（nián）度（dù）與剪切速率的函數式可用式（shì）表（biǎo）示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如（rú）果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選擇（zé）一段剪切速率，使它對黏（nián）度（dù）的影響有利於（yú）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（chǐ）寸澆口的（de）模具所難以達（dá）到（dào）的。

(4)表觀黏度 當模具充不（bú）滿時，除增（zēng）大注（zhù）射量和注射速度，加大流（liú）道係統尺寸以便（biàn）將流量傳送至澆（jiāo）口（kǒu）外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦（bàn）法是升高溫（wēn）度，然而溫度（dù）的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降（jiàng）解溫度，而（ér）且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時（shí）間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速（sù）率，提高剪切速率也要受到聚合物的（de）降解或燒焦以及“熔體破（pò）碎”可能性的限製。提高剪切速率（lǜ）可借助於小澆口尺寸（cùn）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（de）狀態

注射成（chéng）型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射入模（mó）具型腔（qiāng）的過程（chéng），即充模過程。這是一個（gè）複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這（zhè）一注塑加工過程的分析過（guò）於複雜，在這裏不作進一步的闡述。