一（yī）、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑（sù）加工成型過程中，經常會遇到聚合物（wù）熔體在各（gè）種幾何形狀導管內流動的情況（kuàng）。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係（xì）統注入型腔內;在（zài）擠（jǐ）出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動（dòng）過程中的流量與壓力降的關（guān）係、切應力（lì）與剪切速率的關係、物（wù）料流速分布、端末效應等都是十分重要的（de），因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備（bèi）和模具（jù）都有直（zhí）接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜（zá）性，目前隻能對幾（jǐ）種簡單截麵導管內的流動作定（dìng）量的（de）計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了（le）研究聚合物熔體在圓形（xíng）導管內的流動狀況，假設其流體是（shì）在半徑為R的圓形導管內作等溫穩（wěn）定的層（céng）流（liú）運動，且服從指數（shù）定律。取距離 T 為r處的流體（tǐ）圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體（tǐ）截（jié）麵的乘積必等於切應力т與流（liú）體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流（liú）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（yī）步推導的結果，又可說明（míng）流（liú）體在圓形導管內的（de）速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由（yóu）於其剪切速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，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（lì），此時牛頓黏（nián）度η=ド，故也可得（dé）出相應的（de）流速、體積流量及管壁處剪切速率的計（jì）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可相應視（shì）作另一個稠度和（hé）流動行為指數，也稱表觀稠度（dù）與表觀流動（dòng）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（xíng）導（dǎo）槽作穩定層流運動時。在扁形導（dǎo）槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬（kuān）度取1個單位長（zhǎng）度，長度為L.假定扁槽上下兩麵（miàn）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，此時扁槽（cáo）兩側壁對流速（sù） 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)端末效應與速度（dù）分布

如前（qián）所述，在推導流體在各種截麵流道內流動（dòng）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（liú）動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而（ér）在管壁處為。因（yīn）而，流體在導管內的速度分布（bù）為零，向管壁逐（zhú）漸（jiàn）減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說（shuō），這種速（sù）度（dù）分布 呈拋物線（xiàn）形;但（dàn）是，當流體由儲（chǔ）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（xiǎo）和方向上都隨時發生變（biàn）化，因而其速度分布幾乎平（píng）坦而成一直線。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）體在進入導管後須經（jīng）一（yī）定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的（de）壓力降總是比用式算出的大。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（hào）一部分的（de）結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於（yú）一（yī）段導管所引起的損耗，事實上這一段導管長度（dù）並不存在，因（yīn）而（ér）稱為“虛構長度（dù）”或“當量長度”。當量長（zhǎng）度的長短（duǎn）隨具體條件而改變，實驗（yàn）證明，聚合物熔體的當量長度一（yī）般約為導管（guǎn）半徑（jìng）的6倍，在此區（qū）域內，料流（liú）已經（jīng）不（bú）受導管約束，料流各點速度在（zài）此重新調整為（wéi）相等的（de）速度。

另外（wài），在出口區，假塑性流體繼收縮（suō）之後（hòu）由於彈性恢複又出現膨脹（zhàng），而且脹至比導管（guǎn）直徑（jìng）還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上（shàng）述入口與出口（kǒu）端末效應（yīng）外，還有（yǒu）一種現（xiàn）象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵（miàn）呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至（zhì）不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加（jiā）工成型中往往采用改進成型口模和將流量控製（zhì）在一定（dìng）範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對（duì）於符合指數函數方程式的非牛頓（dùn）流體和牛頓流體。

二、注射（shè）成型中的流（liú）動狀態分析

注射成型（xíng）中的流動過程，可以分（fèn）成三個區段。第I區（qū）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（liào）筒（tǒng）的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向（xiàng）前推壓通過（guò）噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這（zhè）一區段的特點（diǎn）是各段（duàn）流道長徑比較（jiào）大，截（jié）麵一般（bān）具有簡單的幾何形（xíng）狀。注射過程中塑料熔體流動（dòng）的三（sān）個區段流體基本上（shàng）不發（fā）生（shēng）物理、化學變化（huà）。第II區段是塑（sù）料熔體經澆口射入型（xíng）腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成（chéng），過程非常複雜，涉及（jí）三維（wéi）流動、相遷移理（lǐ）論（lùn）、不穩定導熱等方麵（miàn）的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射（shè）成型中（zhōng），流體在第（dì）II區段的流動要經過多種（zhǒng）截麵形狀的流道，這裏阻力變（biàn）化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流（liú）道和澆口的溫度隨時（shí）間而（ér）變化，溫度場不穩定（dìng）。盡管如此，仍可對（duì）其分別加以分析。這（zhè）裏，重（chóng）要的是（shì）對塑料熔體流經（jīng）澆（jiāo）口時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要（yào）求是根據型腔體積將足量的塑料熔體以較快的（de）速度注入型腔，再配合其他各種（zhǒng）條件，效率地（dì）生產出外（wài）觀（guān）和內（nèi）部質量均好的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定（dìng），因此（cǐ），根據表觀剪切速率（lǜ）範（fàn）圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍（wéi）和寬厚積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範圍。但是（shì）它們之間不是孤（gū）立的，而是相（xiàng）互有影響的，改變了某一個參數，其他參（cān）數也隨之（zhī）而變。下麵（miàn）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（chí）不變，如果改短澆口長度L,這就使（shǐ）熔體（tǐ）流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間（jiān）的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大（dà）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（jiā）快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵（miàn）的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在（zài）澆口中的流速（sù）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（dùn）流（liú）體的表觀黏（nián）度與剪切速率（lǜ）有關。又短澆口可（kě）以不被固（gù）封，可保持常開。由於以上理由，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（miàn）有（yǒu）利（lì）於qv值（zhí）的增大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是（shì），澆口（kǒu）截麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口（kǒu）的（de）上限。超過此值時，再增大截麵（miàn），由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越（yuè）大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體（tǐ）的表觀（guān）黏度是剪切速率的函數，熔體流（liú）速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口（kǒu）意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極（jí）大，剪切速率相（xiàng）應也極大，表觀（guān）黏度很低。另外（wài），由於熔體高速流經小（xiǎo）澆口，部分轉變（biàn）為熱能，遂提高了澆口處的局部（bù）溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪（jiǎn）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（shī）去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是（shì）點澆口（kǒu）的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的（de）直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑（sù）料熔體都（dōu）屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪（jiǎn）切速率的函數（shù）式可用式（shì）表示（shì）。即n.與y是指數函（hán）數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注（zhù）塑加工廠要在曲線（xiàn）上選擇一段剪切（qiē）速率，使它對黏度的影響有利於注射（shè），這是頗為重要（yào）的（de）。一般來（lái）說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且（qiě）盡可能高，這是大尺（chǐ）寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀（guān）黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速度，加大流（liú）道（dào）係統尺寸以便（biàn）將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體（tǐ）的表觀黏度也是一個（gè）有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升（shēng）高也（yě）有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪切速率也要受（shòu）到聚合物的降解或（huò）燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大（dà）注射壓力，也即增大切應力或（huò）兩者兼備。

(二)流體在充模過（guò）程中的狀（zhuàng）態

注射成（chéng）型的第皿區段是（shì）聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過（guò）程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為（wéi）非（fēi）等溫流動。由於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡（chǎn）述。