一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加（jiā）工成型（xíng）過程中，經常會遇到聚合物熔體在（zài）各（gè）種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進（jìn），從噴嘴經澆注係統注入型（xíng）腔內;在擠（jǐ）出注塑加工成型中，熔體被螺杆（gǎn）擠進各種口模。研究熔體在流動（dòng）過程中的流量與壓力降的（de）關係、切應力（lì）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，因為這對控（kòng）製成型注（zhù）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（yóu）於非牛頓流體（tǐ）流變行為的複雜性，目前隻（zhī）能對幾種簡單截麵導管內的流動作定（dìng）量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在（zài）圓形導管內的流動狀況，假（jiǎ）設其流體是在（zài）半徑為R的圓形導管（guǎn）內作等溫穩定的層流運動（dòng），且服從指數定律。取距離 T 為r處（chù）的流體圓（yuán）柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由（yóu）左（zuǒ）向（xiàng）右移動時，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與流體層間接觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由（yóu）此看（kàn）出，切應力（lì）為（wéi）零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導（dǎo）的結果，又可（kě）說明流體在圓形導管內的（de）速度分布為（wéi）什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體（tǐ）或非牛頓黏性流體，由於其剪切（qiē）速（sù）率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體（tǐ），由於牛頓黏（nián）性定律可以看（kàn）為指數（shù）方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓（dùn）黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流（liú）量及管壁（bì）處（chù）剪切（qiē）速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿（yán） 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另（lìng）一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀（guān）流（liú）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（yùn）動時（shí）。在（zài）扁形（xíng）導槽內取一矩形單元體，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（dù）W應大於扁槽上下 平（píng）行麵距離2B的20倍，此（cǐ）時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為（wéi）牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏（nián）性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應（yīng）與速度分布

如前所述，在推導流（liú）體在各（gè）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體，都假定流動屬穩定流動狀（zhuàng）態，切應力（lì）為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導（dǎo）管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少（shǎo），而（ér）在管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度（dù）分布 呈拋（pāo）物線（xiàn）形;但是，當流體由（yóu）儲槽（cáo）、大管進入導管內（nèi）時就不屬於穩定流動，流（liú） 體各質點的運動速度在大小和方向（xiàng）上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段（duàn）內的壓力降總是比用式算出的（de）大。這是因為聚合物熔體在此（cǐ）區域內產（chǎn）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想為相當於一（yī）段導（dǎo）管所引起的損耗（hào），事實上這一段導管長度並不存（cún）在，因而稱為“虛（xū）構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具（jù）體條（tiáo）件而改變，實驗證明，聚合（hé）物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此（cǐ）區域內，料流已經不（bú）受（shòu）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，在出口區，假塑性流體繼（jì）收縮之後由於彈（dàn）性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑（jìng）還要大。當流出速度恒定（dìng）時，導管（guǎn）越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述（shù）入口與出口端末效應外，還有一（yī）種現象，即當（dāng）剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀（zhuàng），剪切速率越大，流出物越粗（cū）糙（cāo），甚至不能成流，很快斷裂，這（zhè）種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往采用改進成型（xíng）口模和將流量控製在（zài）一定範圍內來解決。為了（le）分析流體在穩定流（liú）動時的速度分布，對（duì）於符合指數函（hán）數方程式的非牛頓流體和（hé）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程，可以分成三個區段。第I區段（duàn）是（shì）塑料物料在注（zhù）射（shè）機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸（shū）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區段是儲存在料筒端部的（de）塑料熔體（tǐ）受螺杆的向前推壓通過（guò）噴嘴、模具的主流道、分（fèn）流道和澆口，開始射入型腔內。這一（yī）區段的（de）特點是各段流道長徑比較大（dà），截麵一般具（jù）有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段（duàn）流體基本（běn）上不發生物理、化學變化。第II區段（duàn）是塑料熔體經澆口射入型腔過程中（zhōng）的流動、相（xiàng）變及固（gù）化。這一（yī）區段完全在模（mó）具（jù）內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道中的狀（zhuàng）態

注射成型中，流體在第II區段（duàn）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（sǔn）失大，且模（mó）具中的主流道、分流道和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（bié）加以分析。這裏，重要的是（shì）對塑料熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本（běn）要求是根據型腔體積將（jiāng）足量的塑（sù）料熔（róng）體以較快的（de）速度注入型腔，再配合其（qí）他各（gè）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（shí）踐經（jīng）驗，由（yóu）於（yú）注射機的規格已（yǐ）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（cǐ），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（wéi）。也即求出R 的範圍和寬（kuān）厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射機的（de）規格已根（gēn）據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確（què）定，因此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是（shì）它們之間不是（shì）孤立的（de），而是相互有影響的，改（gǎi）變了（le）某一個參（cān）數，其他（tā）參數也隨之而變。下麵（miàn）分（fèn）別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保（bǎo）持恒定時，則澆口入口處的壓力（lì）p1,保持不（bú）變，如（rú）果改（gǎi）短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小（xiǎo），也就使澆口入（rù）口與出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了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，由於熔體在澆口中（zhōng）的流速提高，也即注射速（sù）度（dù）提高，熔體的表觀黏度也相應降低（dī），這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪（jiǎn）切速率（lǜ）有關。又短澆口（kǒu）可以不被固封，可保持常開。由於以上（shàng）理由（yóu），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（yǒu）利於qv值的增大，qv值隨R4或（huò）Wh3成比例增長（zhǎng）。但是，澆口截麵增大了，熔（róng）體在澆口（kǒu）中的流速減慢，熔（róng）體的表（biǎo）觀黏度相應增高。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（dà）越好（hǎo）。相反，點澆（jiāo）口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏（nián）度是剪切速（sù）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（zhù）射。東莞市馬馳科注（zhù）塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即（jí）R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相（xiàng）應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經（jīng）小（xiǎo）澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆（jiāo）口處（chù）的局部溫度，也有利於降（jiàng）低熔體的（de）表觀黏度。但是，當剪切速（sù）率提高到（dào）極（jí）限值時，剪切速率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失去了“剪（jiǎn）切速率效應（yīng）”。超（chāo）過此極限值時（shí），剪切速率再增加，表觀黏（nián）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（shù）塑料來說，點澆口（kǒu）的直徑不大（dà）於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛（niú）頓假塑性（xìng）流體，其表觀黏度（dù）與剪切（qiē）速率（lǜ）的函數式可用式表示。即n.與（yǔ）y是（shì）指數函數關係，不是線型關係。如果剪切（qiē）速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以（yǐ），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（xiǎng）有利於注（zhù）射（shè），這是頗為（wéi）重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是（shì）大尺寸（cùn）澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當（dāng）模具充不滿（mǎn）時，除增大注射量和（hé）注射（shè）速度，加大流道係統尺寸（cùn）以便將（jiāng）流量傳送至（zhì）澆口外，降低塑料熔體的表（biǎo）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（wēn）度，然而溫（wēn）度的（de）升高也有一定限製，不能（néng）高於聚合物的降解溫度，而且溫度（dù）提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦（bàn）法是提高剪切速率，提高剪切速（sù）率（lǜ）也要受到聚合物的降（jiàng）解或燒（shāo）焦以及“熔體破（pò）碎”可（kě）能性的限（xiàn）製。提（tí）高剪（jiǎn）切速率可借助（zhù）於小澆口尺寸或增大注射（shè）壓力，也即增大切應（yīng）力或（huò）兩（liǎng）者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第（dì）皿區段是聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過程（chéng），即充模過程。這是一個複（fù）雜（zá）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（zhè）裏不作進一（yī）步的闡述。