一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵導管內的流動（dòng）

在塑料注塑加工成型過程中（zhōng），經常會遇（yù）到聚合物（wù）熔體在各種幾何形狀（zhuàng）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（jìn），從（cóng）噴嘴經澆注係統注入型腔內;在（zài）擠出注塑加（jiā）工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的（de）關係、切應力與剪切速率的關係（xì）、物料流（liú）速分布、端末效（xiào）應等（děng）都是十分重要（yào）的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計（jì）成型設（shè）備和模具都有直接關（guān）係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對（duì）幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算（suàn）。

(一)在圓（yuán）形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導（dǎo）管內的（de）流動狀況，假設其流體（tǐ）是在半（bàn）徑為R的圓形導管（guǎn）內作等溫穩（wěn）定的層流（liú）運動，且服（fú）從（cóng）指數定律（lǜ）。取距（jù）離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度（dù）為L,當它 ≈ 由左向（xiàng）右移動時（shí），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（yú）切應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管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（bì）處為，據此進一步推導的（de）結果，又（yòu）可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於（yú）牛頓流體或非牛頓黏性（xìng）流體，由於其剪切（qiē）速率（lǜ）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，由於牛頓黏性定律（lǜ）可以看為（wéi）指數方（fāng）程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應（yīng）的流速、體積流量（liàng）及管壁處剪切速（sù）率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流（liú）動行為指（zhǐ）數，也稱表觀稠度與表（biǎo）觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在（zài）等（děng）溫條件下經扁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（hòu）度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩（liǎng）麵（miàn）為無限寬平行麵(扁槽（cáo）寬（kuān）度W應大（dà）於（yú）扁槽上下 平行麵距離（lí）2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可（kě）忽略不計)，根據力（lì）的平（píng）衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即（jí）為牛頓黏性定律方程式（shì），此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導（dǎo）流（liú）體在各種（zhǒng）截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流（liú）體或非牛頓（dùn）流體，都假（jiǎ）定流（liú）動屬穩定流動狀態，切應力為零（líng），向管壁（bì）逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓（dùn）流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但（dàn）是，當流體由儲槽、大管進（jìn）入導管內時就不屬於穩定流動，流 體（tǐ）各質點的運動速度在大小和（hé）方向上都隨時發生變化，因而其速度（dù）分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層（céng）液層處，其速度驟降，至管壁處（chù）為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體（tǐ）在此段內（nèi）的壓力降總是比用（yòng）式算出的大。這是因為（wéi）聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一（yī）部分的結果。

這種入口（kǒu）損耗曾有人設想為相（xiàng）當於一段導管所引起的（de）損耗，事實上這一段導（dǎo）管長度並不存在，因而稱為“虛（xū）構長度”或“當量長度（dù）”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般約為導管半徑（jìng）的6倍，在此區（qū）域內，料流已經不受導管約束，料流各點速度（dù）在此（cǐ）重（chóng）新調整為相等的速（sù）度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於（yú）彈性（xìng）恢複又出現（xiàn）膨脹，而且脹至比導管直徑還（hái）要大。當流（liú）出速度恒定時（shí），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（xiào）應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切（qiē）速率越大，流出物越粗糙，甚至（zhì）不能（néng）成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎（suì）”。在擠出注塑加工（gōng）成型中往往采用（yòng）改進成型（xíng）口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布（bù），對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析（xī）

注射成型中的流動過程，可以（yǐ）分成三個區段（duàn）。第I區段是塑料物料（liào）在注射機內旋轉螺杆與料（liào）筒（tǒng）之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的（de）熔（róng）體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔（róng）體受螺杆的向前（qián）推壓通過噴嘴、模具的主流（liú）道、分流道和澆口，開（kāi）始（shǐ）射入型腔內。這一（yī）區段的特點是各段流道（dào）長（zhǎng）徑比較大，截麵一（yī）般具（jù）有簡單的幾何形狀（zhuàng）。注射過程中塑料熔體流動的三個（gè）區段流體（tǐ）基本上（shàng）不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體（tǐ）經澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這（zhè）一（yī）區（qū）段完全在模具內（nèi）完（wán）成，過程非常複（fù）雜，涉及三（sān）維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流（liú）體在（zài）流（liú）道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多種（zhǒng）截麵形狀的流道，這裏（lǐ）阻力變化複雜，壓力損失大，且（qiě）模具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度（dù）場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔（róng）體（tǐ）流經澆口時狀態（tài）的分（fèn）析。

注射成型的基本要求是根據型腔（qiāng）體積將足量的塑料（liào）熔體以較快（kuài）的速度注入型腔（qiāng），再配合其他各種條件，效（xiào）率地生產出外觀和內部質量均（jun1）好的注射塑件。根據實踐經驗，由於（yú）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，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的（de）範（fàn）圍。也即求（qiú）出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範圍（wéi）。但是它們之（zhī）間不是（shì）孤立的，而是相互有影響的，改（gǎi）變了（le）某一個參（cān）數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒（héng）定（dìng）時（shí），則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經（jīng）澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間的壓力降減（jiǎn）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（jiā）快，所以，縮短澆（jiāo）口長度（dù），在不增大澆口（kǒu）斷麵（miàn）的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體（tǐ）在澆口（kǒu）中的流速提高，也（yě）即注射速度提（tí）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。又短澆口可以不被固封，可（kě）保持常開。由於以上理由，設（shè）計（jì）澆口長度L時，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值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，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（zēng）大有個極限值，這是大澆口的（de）上限。超（chāo）過此值時（shí），再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口（kǒu）斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆（jiāo）口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體（tǐ）的（de）表觀黏（nián）度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它（tā）的剪切速率越大，因（yīn）而表觀黏度越小（xiǎo），越容易注射。東（dōng）莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷（duàn）麵很小，即R很小，熔體流（liú）經小澆口時（shí）流速極（jí）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（kǒu），部（bù）分轉變為熱能，遂提（tí）高了澆口處（chù）的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度（dù）。但（dàn）是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀（guān）黏度失去了依存關係（xì），稱為失去了（le）“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（shí）澆口的（de）斷麵（miàn）就是點澆口的極限尺（chǐ）寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不（bú）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）塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流（liú）體，其表觀黏度與剪切速率的（de）函數式可用式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不是線（xiàn）型關係。如果剪切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東（dōng）莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng）要在曲線上選擇一段剪（jiǎn）切速率，使它對黏度（dù）的（de）影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率（lǜ）取高值，黏度影響小。而（ér）且盡可能高，這是大尺寸澆口的模（mó）具所難以達（dá）到（dào）的。

(4)表觀黏度 當模具（jù）充不滿時，除增大注射（shè）量和注射速度，加大流道係統尺寸（cùn）以便將流量傳送至（zhì）澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一（yī）個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫（wēn）度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚（jù）合物的降解溫度，而且溫度（dù）提高將會增加塑件在模（mó）內的冷卻時間。降低黏（nián）度的另一種辦法是（shì）提高剪切速率，提高剪切（qiē）速率也要受到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（lǜ）可借助於小澆口尺寸或增大注（zhù）射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充（chōng）模過（guò）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，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流（liú）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。