一、聚合物熔體在（zài）簡單（dān）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導管內流動的情況。如在注射（shè）過（guò）程（chéng）中，熔體被柱塞推動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係（xì）統注入型腔內（nèi）;在擠出注塑加工（gōng）成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究（jiū）熔體（tǐ）在流（liú）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、物料流速分布、端末效應等都是十分重要（yào）的，因為（wéi）這對控製成型注（zhù）塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的（de）複雜性，目前隻能對幾種簡單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（wéi）了研究聚合物熔體在圓（yuán）形導管內的（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運動，且（qiě）服從指數定律。取距離 T 為（wéi）r處（chù）的流體圓（yuán）柱體單（dān）元，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右移（yí）動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體（tǐ）截麵的乘積必（bì）等於切應力т與流體層間接觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流動（dòng）液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在（zài）管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布（bù）為（wéi）什麽呈拋物線形（xíng）。

對於（yú）牛頓流體或非牛（niú）頓黏性流體（tǐ），由（yóu）於其（qí）剪切速率隻（zhī）依賴（lài）於（yú）所施加（jiā）的切應力，所以，可用（yòng）下麵（miàn）函數關係來表示，對於牛頓（dùn）流體，由於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的（de）特例，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（jǐ）何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和（hé）n可相應視作另一個稠度和流（liú）動行為指數，也（yě）稱表觀稠度與（yǔ）表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁（biǎn）形導槽內取一矩形單元體（tǐ），其厚（hòu）度為2y,寬度取（qǔ）1個單位長度（dù），長度為L.假定（dìng）扁槽上下兩（liǎng）麵為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上（shàng）下 平行麵距離2B的20倍（bèi），此時扁槽兩（liǎng）側壁對流（liú）速 的減緩（huǎn）作用（yòng）可忽略（luè）不計)，根據力的平（píng）衡，得也（yě）就成為牛頓流體的流（liú）動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為（wéi）黏（nián）度（dù）n.

(三)端（duān）末效應與速度分布

如（rú）前所述，在推導流體在各（gè）種截麵流道內流動的流（liú）動方程式時，不論牛頓（dùn）流體或非（fēi）牛頓流體，都假定（dìng）流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在（zài）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 零。對（duì）牛頓流體（tǐ）來說，這種速度分布 呈拋物（wù）線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管（guǎn）內時就不屬於（yú）穩定流動，流 體（tǐ）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（sù）度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液（yè）層處（chù），其速度驟降，至管壁處為零，流（liú）體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方（fāng）能形（xíng）成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式（shì）算出的大。這（zhè）是因為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的（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，事實上這一段導管長度並不（bú）存在，因而稱為“虛構長度（dù）”或“當（dāng）量（liàng）長度”。當量長度的長短隨（suí）具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體（tǐ）的當量長度（dù）一般約為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料流（liú）已經（jīng）不受導管約（yuē）束，料流各（gè）點速度在（zài）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現膨脹，而且（qiě）脹至比導管直徑還要大。當流（liú）出速度恒定時，導管越短，膨（péng）脹越嚴（yán）重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應（yīng）外，還有一種現象（xiàng），即（jí）當剪切速率高達一定值（zhí）時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這（zhè）種現象稱為“熔體破碎”。在擠（jǐ）出注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（wéi）了分析流體在穩定流（liú）動（dòng）時的速度分布，對於符（fú）合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流（liú）體。

二、注射成型中的流動狀態（tài）分析

注射成型中的流（liú）動過程（chéng），可以分成（chéng）三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋（xuán）轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒（tǒng）端（duān）部的塑料熔體（tǐ）受螺（luó）杆的向前推壓通（tōng）過噴嘴、模（mó）具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點（diǎn）是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。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（jiāo）口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這一區（qū）段完全在模具內完成，過程非（fēi）常複雜，涉及三維（wéi）流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵（miàn）的（de）知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體在（zài）第（dì）II區段的流動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（zhǔ）流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變（biàn）化，溫度場（chǎng）不穩定。盡管如此（cǐ），仍可對其分別（bié）加以分析（xī）。這裏，重要的是（shì）對塑料熔體（tǐ）流經澆口時（shí）狀態的（de）分析。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將（jiāng）足（zú）量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再配（pèi）合其他各種條件，效率地（dì）生產（chǎn）出外觀和內（nèi）部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根（gēn）據（jù）塑件體積選定，注射速率為已（yǐ）知值，也即理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可（kě）求出澆口（kǒu）截麵尺寸（cùn）的範（fàn）圍。也即求出R 的範圍和寬厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射機的規（guī）格（gé）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（què）定，因此，根據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可（kě）求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互（hù）有影響的，改變（biàn）了某一個參數，其他參數也（yě）隨之而變（biàn）。下（xià）麵分別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注射壓（yā）力（lì）保持恒定時，則澆口入口（kǒu）處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小（xiǎo），也就使澆口（kǒu）入口與出口之（zhī）間的壓力降減小，熔（róng）體在澆口中的流（liú）速增大，這就（jiù）增（zēng）大了q,值。反映到注射螺杆上，螺（luó）杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮（suō）短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注（zhù）射速（sù）率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由（yóu）於非牛頓流體的表觀（guān）黏度與剪切速率（lǜ）有關。又短澆（jiāo）口（kǒu）可以不被固封，可保持常開。由於以（yǐ）上理由，設計澆口長度L時（shí），總是取值。

(2)澆口斷麵尺（chǐ）寸 增大澆（jiāo）口斷麵有利（lì）於qv值的增大，qv值隨（suí）R4或Wh3成比例增長。但是（shì），澆口截麵（miàn）增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應（yīng）增高。所以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反（fǎn），點澆口之所以成功，是因（yīn）為絕大多數塑（sù）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（yuè）小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠 采用小澆口意味著斷麵很（hěn）小，即R很小（xiǎo），熔體流（liú）經小澆口時流速極大（dà），剪切速（sù）率相應也極大，表觀黏度很（hěn）低。另外，由於熔體高速（sù）流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處（chù）的局部溫度（dù），也有利於降低熔體（tǐ）的表觀黏度。但是，當剪（jiǎn）切速率（lǜ）提高到極限（xiàn）值（zhí）時，剪切（qiē）速率與表（biǎo）觀黏度失去了依存關係，稱（chēng）為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再（zài）增加，表觀黏度不再降低。此（cǐ）時澆口的斷麵就（jiù）是點澆口（kǒu）的極限尺（chǐ）寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於（yú） 1.5mm,對較黏的塑（sù）料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於（yú）非（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀（guān）黏度與剪切速率的函數式（shì）可用式表示（shì）。即n.與y是指數函數關係，不是線型（xíng）關係。如果剪切速（sù）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（de）。一般來說，剪切速率取高值（zhí），黏（nián）度影（yǐng）響小。而且盡可能高，這是大（dà）尺（chǐ）寸澆口的（de）模具所難以達到的。

(4)表觀黏度（dù） 當模具充不滿時，除增大注射（shè）量和注射速度，加（jiā）大（dà）流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降（jiàng）低（dī）塑料熔體（tǐ）的（de）表（biǎo）觀黏度也是一個有效的（de）辦（bàn）法（fǎ）。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然（rán）而溫度的升高也有一定限製，不能高於（yú）聚合（hé）物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑（sù）件在模內的冷卻時間。降低黏度的（de）另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切速率（lǜ）也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力（lì），也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過（guò）程中的狀態

注射成型的（de）第皿區段是聚合物熔體經澆口（kǒu）射入模具型腔的過程，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，在這裏不作進一步的闡述。

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