一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工（gōng）成型過程（chéng）中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何（hé）形狀導管內流動的情況。如（rú）在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從（cóng）噴嘴（zuǐ）經澆注（zhù）係統注（zhù）入型腔內;在擠出注塑加工成型（xíng）中，熔體被螺杆擠進各種（zhǒng）口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切（qiē）應力與剪切速（sù）率的關係、物料流速分布、端（duān）末效應等都是十分重要的，因為這對（duì）控製成（chéng）型注塑加工工（gōng）藝、塑件產量和（hé）質量（liàng）、設（shè）計（jì）成（chéng）型設備和模具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓（dùn）流體（tǐ）流變行為的複雜性（xìng），目前隻能（néng）對幾（jǐ）種簡單（dān）截麵導管內的流動作定量的計（jì）算。

(一（yī）)在（zài）圓形導管內的流（liú）動

為了研究聚合物熔體在圓形導管（guǎn）內的流動狀況，假設其流體是（shì）在（zài）半徑為R的圓形導管（guǎn）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（de）流（liú）體圓柱體單元，其長度（dù）為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦（cā）力，於是（shì），其中壓力降（jiàng）Δp與（yǔ）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（guǎn）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（dǎo）的結（jié）果，又（yòu）可說明流體（tǐ）在圓形導管內的速度分（fèn）布為什麽呈拋物（wù）線形。

對於牛頓流體或非牛頓（dùn）黏性流體，由（yóu）於其剪切速率（lǜ）隻依賴於所施加的切應力（lì），所以，可用下麵函數（shù）關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時（shí）牛頓黏度η=ド，故也可得出相應（yīng）的（de）流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形（xíng）狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可（kě）相應視作另一個稠度（dù）和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二（èr）)在扁形導槽（cáo）內的流動

當塑料熔體在等（děng）溫條（tiáo）件下經扁（biǎn）形導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位（wèi）長度，長度（dù）為L.假定扁（biǎn）槽上（shàng）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（bèi），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（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（liú）動方程式時，不論牛（niú）頓（dùn）流體或（huò）非牛頓流體，都假定（dìng）流動屬穩（wěn）定流動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導（dǎo）管內的（de）速度（dù）分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分（fèn）布 呈拋物（wù）線形;但是（shì），當流體由儲槽、大管進入導（dǎo）管內時就不屬於穩（wěn）定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發（fā）生變化，因而其速（sù）度分布幾乎平坦而成一直線（xiàn）。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流（liú）體在進入（rù）導（dǎo）管後須經一定距離，穩定狀（zhuàng）態方能形成，實驗測定，流（liú）體在此段內的（de）壓力降總是比（bǐ）用（yòng）式算出的大。這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結果。

這種入口損耗曾有人設（shè）想為相當於（yú）一段導管所引起的（de）損耗（hào），事實上這一段導管長度並不存在，因而（ér）稱為“虛構長（zhǎng）度”或“當量長度”。當量長度（dù）的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體（tǐ）的當量長度一般約為導管半（bàn）徑（jìng）的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，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（jì）收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定（dìng）時，導管越短，膨（péng）脹越（yuè）嚴重（chóng），可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象（xiàng），即（jí）當剪切速率高達一定（dìng）值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物（wù）越粗糙，甚至不能成流，很快斷（duàn）裂，這種現象稱為（wéi）“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用（yòng）改進成型口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分（fèn）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牛頓流體和牛頓流體。

二、注射（shè）成型中的流動（dòng）狀（zhuàng）態分析

注射成型中（zhōng）的流（liú）動過（guò）程（chéng），可以分成三個區（qū）段。第I區段是塑料物料（liào）在注射機內旋轉螺杆與料筒（tǒng）之間進行輸送（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區段是儲存在料筒端（duān）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、分流（liú）道和澆口，開始射（shè）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（yī）般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔（róng）體流動的三個（gè）區段流體基本上不發生物（wù）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。這一區段完全在模具內完（wán）成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論（lùn）、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流（liú）體在流道中的狀態

注射成型（xíng）中，流體在第II區段的流動要經過多種截（jié）麵形狀的（de）流道，這裏阻力變化（huà）複雜，壓力損失大（dà），且模具中的主（zhǔ）流道、分流道（dào）和澆口的溫度（dù）隨時間（jiān）而變化，溫（wēn）度場不穩定。盡管如此，仍可對其（qí）分別加（jiā）以分析。這裏，重要的（de）是對塑（sù）料（liào）熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

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（xíng）腔，再配（pèi）合其他各種條件，效率地生產出外觀和內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據塑件體積（jī）選定，注射速率為已知值，也即理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和（hé）寬（kuān）厚積Wh的（de）範圍。由於注（zhù）射機的規格（gé）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（biǎo）觀剪切（qiē）速率範（fàn）圍即澆口可求出（chū）澆（jiāo）口（kǒu）截（jié）麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立（lì）的，而是相互（hù）有影響的，改變了某一（yī）個參數，其他參數也隨之（zhī）而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不（bú）變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使（shǐ）澆口入口與（yǔ）出口（kǒu）之（zhī）間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大（dà），這就增大了q,值。反映（yìng）到注射螺（luó）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（zēng）大澆口（kǒu）斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由（yóu）於熔體（tǐ）在澆口（kǒu）中的流速提高（gāo），也即注射速度（dù）提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有關（guān）。又短澆口（kǒu）可以不被（bèi）固封，可（kě）保持常開（kāi）。由於（yú）以（yǐ）上理由，設計澆口長（zhǎng）度L時（shí），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（zhí）隨R4或Wh3成比例（lì）增長（zhǎng）。但是，澆口截麵增大（dà）了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度（dù）相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限（xiàn）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（jiāo）口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之（zhī）所以成功，是因為絕（jué）大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數（shù），熔體流速越快（kuài），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。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時流速極大，剪（jiǎn）切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於（yú）熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂（suí）提高了澆口處的局部溫度，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，剪切速率與表觀黏度失去（qù）了依存關係，稱為失（shī）去了“剪切速率效應”。超過此（cǐ）極限值時，剪切速率再增加，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（liào）來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數（shù）塑料熔體都屬（shǔ）於非牛（niú）頓假塑性（xìng）流體，其表觀（guān）黏度與剪切速率的函數（shù）式可用式表示。即n.與y是指（zhǐ）數（shù）函數關（guān）係，不是線型關係。如果（guǒ）剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少（shǎo）。所以，東莞市馬（mǎ）馳科（kē）注塑加工廠要在（zài）曲線上選擇一（yī）段剪（jiǎn）切（qiē）速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說（shuō），剪切速率取高（gāo）值，黏度影（yǐng）響小。而且盡可能高，這是大尺寸（cùn）澆口的模具所（suǒ）難以（yǐ）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，加大流道係統尺寸以便將流量（liàng）傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個（gè）有效的辦法。降低黏度的一種辦法（fǎ）是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限（xiàn）製，不能高於聚（jù）合物的降解溫（wēn）度（dù），而且（qiě）溫度提高將（jiāng）會增加塑件（jiàn）在模內（nèi）的冷卻時間。降低黏度的另（lìng）一種辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪切速率也要受到聚合物的（de）降解或燒焦以（yǐ）及“熔體破碎”可能性的限製。提高（gāo）剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流（liú）體（tǐ）在充模過程中的狀態

注射成型（xíng）的第皿區段是聚合物熔體經澆口射（shè）入（rù）模具型腔的過程，即充模過程。這（zhè）是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程（chéng）的（de）分析過於（yú）複雜，在這裏（lǐ）不（bú）作進一步的闡述。