一、聚合物熔體在簡單截麵導管內（nèi）的流動

在塑（sù）料注塑（sù）加工成型過程（chéng）中，經常會（huì）遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑（sù）加工成型中，熔體被螺杆擠（jǐ）進各（gè）種口模。研究熔體在流動過程中的流量（liàng）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的，因為這對控製成（chéng）型注塑加工工藝、塑件產量和質量（liàng）、設計成型設（shè）備和模具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓流體流變（biàn）行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流（liú）動作（zuò）定量的計算。

(一)在圓（yuán）形導管內的（de）流動

為了研究（jiū）聚合物熔體在圓形導管內的流（liú）動狀況（kuàng），假設（shè）其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩定（dìng）的層流運動，且（qiě）服從指數定律。取距（jù）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，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體（tǐ）層（céng）間接觸麵積的乘積，圓（yuán）形導管中流（liú）動液體受（shòu）力（lì）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，又可說明流體在圓形（xíng）導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對（duì）於牛頓流（liú）體或非牛頓黏（nián）性流體，由於其剪切速率隻依賴於（yú）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，由於牛頓黏（nián）性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度（dù）η=ド，故也可得（dé）出相應的流速、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作（zuò）上下平行移（yí）動（dòng）而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與（yǔ）表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體（tǐ）在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導（dǎo）槽內（nèi）取一矩（jǔ）形單元體，其厚度（dù）為2y,寬度取1個單位長度，長度為（wéi）L.假定扁槽上下兩麵為（wéi）無限寬（kuān）平行（háng）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（sù） 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡（héng），得也就成（chéng）為牛頓流（liú）體的流動（dòng）行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就（jiù）成為（wéi）黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導流體在（zài）各種截麵流道內流動的流動方程式（shì）時（shí），不論牛頓流體或（huò）非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動（dòng）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（zhú）漸減（jiǎn）少，而在管壁（bì）處為 零。對牛頓流體來說，這種（zhǒng）速度分布 呈拋物（wù）線形;但是，當流體（tǐ）由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時（shí）發生變化，因而其（qí）速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼（tiē）近管壁極薄一層液層處，其速度驟降（jiàng），至管壁處為零，流體在進入（rù）導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流（liú）體在此（cǐ）段（duàn）內的壓力降總是比用式算出的大（dà）。這是因為聚合物熔體在此區域內產生彈（dàn）性（xìng）變形和速度調整消耗一部分的結果（guǒ）。

這種入口損（sǔn）耗曾有（yǒu）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存在，因而稱為“虛構長（zhǎng）度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改（gǎi）變（biàn），實驗證明，聚合物熔體的當量長（zhǎng）度一般（bān）約為導管半徑的6倍，在此區域內（nèi），料流已經不受導管約束（shù），料流各點速度在此重（chóng）新調整為相等的速度。

另外，在出口區（qū），假塑性流體繼收縮之後由（yóu）於（yú）彈性恢複又出現膨脹，而（ér）且脹至（zhì）比（bǐ）導管直徑還要大。當（dāng）流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上（shàng）述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高（gāo）達（dá）一定值時，流出物表麵呈粗糙狀（zhuàng），剪切速率越大（dà），流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往（wǎng）往采用改進成型口模和將流量（liàng）控製在一（yī）定範圍內來解決。為了分析流體（tǐ）在（zài）穩定流動時的（de）速度分布（bù），對於符合指數函數方程式的非牛頓流（liú）體（tǐ）和牛頓流體。

二、注射成型中（zhōng）的流動狀（zhuàng）態分析

注射成型中的（de）流動過程（chéng），可以分成三（sān）個（gè）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、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端（duān）部。第II區段是儲存在料（liào）筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道（dào）、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中（zhōng）塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學（xué）變化。第（dì）II區段（duàn）是塑（sù）料熔體（tǐ）經澆口射入型腔過程中的流動、相變及（jí）固化（huà）。這一區（qū）段（duàn）完全在（zài）模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定（dìng）導（dǎo）熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體（tǐ）在流道（dào）中的狀態

注射成型中，流體在第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（lì）損失大，且模具中的主流道、分流道（dào）和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如（rú）此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔（róng）體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注（zhù）射成型的基本要求是（shì）根據型腔體積將足量的塑料熔體以較快的速度注入型腔（qiāng），再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質（zhì）量均（jun1）好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的規（guī）格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值（zhí）已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬（kuān）厚積Wh的範圍。由於注射機（jī）的規格已根據塑件體積選定，注（zhù）射速率為已知值，也即（jí）理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍即（jí）澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範（fàn）圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變（biàn）了某一個參數，其他參數也隨之而（ér）變。下麵（miàn）分（fèn）別進行（háng）分析（xī）。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處（chù）的（de）壓力p1,保持不變，如（rú）果改短澆口長度L,這就使（shǐ）熔體流經澆口的阻力減小，也（yě）就使（shǐ）澆口入口與出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中（zhōng）的流速增大，這就增（zēng）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（kǒu）長度，在（zài）不增大澆口斷（duàn）麵的情況下，就（jiù）能提高注射速率。同時，由於（yú）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，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率有關。又短澆口（kǒu）可（kě）以不被固封，可保持常開。由於以上（shàng）理由，設計澆口長度L時，總是取值（zhí）。

(2)澆口（kǒu）斷麵（miàn）尺（chǐ）寸 增大澆（jiāo）口斷麵（miàn）有利於qv值的增大（dà），qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆（jiāo）口（kǒu）截麵增（zēng）大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的（de）表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極（jí）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（fǎn）而使qv值減（jiǎn）小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口（kǒu）之（zhī）所以成功，是因為絕大多數塑（sù）料熔（róng）體的（de）表（biǎo）觀黏度是剪切（qiē）速率的函數，熔體流速越（yuè）快，即qv越大，它的剪（jiǎn）切速率（lǜ）越（yuè）大，因而表觀黏度越小，越（yuè）容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味（wèi）著斷麵很小，即（jí）R很小，熔體流（liú）經小澆口（kǒu）時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口（kǒu）處的局部溫度，也有利（lì）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了依存關係，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，表觀黏度（dù）不再降低。此時澆（jiāo）口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料（liào）。

(3)選擇合理（lǐ）的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度（dù）與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值（zhí）降低（dī）還要少（shǎo）。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，使它對黏度的影響有利於注（zhù）射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度（dù）影響小。而且（qiě）盡可能高，這是（shì）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，除增大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外（wài），降低塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度（dù），然而溫（wēn）度的升高也有一（yī）定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而（ér）且溫度提高將會增加塑（sù）件在模（mó）內的（de）冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切速（sù）率也要受到（dào）聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助（zhù）於小澆口尺寸或增大注射壓力（lì），也即增大（dà）切應力（lì）或兩者兼備。

(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口射入模具型腔的過程，即（jí）充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非（fēi）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（bù）的闡述。