一（yī）、聚合物（wù）熔體在簡單截（jié）麵導管內（nèi）的流動

在（zài）塑（sù）料注塑加（jiā）工成型過程中，經常會遇（yù）到聚合物熔體在各種幾何形（xíng）狀導管內流動的情（qíng）況。如在注射（shè）過程中，熔（róng）體被柱（zhù）塞推動前進，從噴嘴（zuǐ）經澆注係統注入型腔（qiāng）內;在擠出注塑（sù）加工成（chéng）型中，熔體被螺杆擠進各種口模（mó）。研究熔體在流動過程（chéng）中的流量與壓（yā）力（lì）降的關係、切應力（lì）與剪切速（sù）率的關係、物料流速（sù）分（fèn）布、端末效（xiào）應等都是十（shí）分重要的，因為這對控製成型注塑（sù）加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都（dōu）有（yǒu）直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前（qián）隻能對幾（jǐ）種簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內（nèi）的流動（dòng）

為了研究聚合物熔（róng）體（tǐ）在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導（dǎo）管內作等溫穩定的層流運動，且（qiě）服從（cóng）指數定律。取距離 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（chǎn）生摩（mó）擦力，於（yú）是（shì），其中壓力降Δp與圓柱（zhù）體（tǐ）截麵（miàn）的乘積必等於切（qiē）應力т與流（liú）體層間（jiān）接觸麵積的乘積，圓形（xíng）導管中流動液體受力分析。由（yóu）此看出，切應（yīng）力為零，逐漸增大而在管壁（bì）處（chù）為，據此進一步推導的結（jié）果，又可（kě）說明流體在圓形（xíng）導管內的速度分布為什麽呈（chéng）拋物線（xiàn）形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其（qí）剪切速（sù）率（lǜ）隻依賴（lài）於所施加的切應力，所以，可用下（xià）麵函數關係來表示（shì），對（duì）於牛（niú）頓流（liú）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（lì），此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相（xiàng）應的流速、體積流量（liàng）及管（guǎn）壁處（chù）剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已（yǐ），因而K'和n可相應視（shì）作另一個稠度和流動行為指數，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（tǐ）在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在（zài）扁形導槽內取一矩形單（dān）元體，其（qí）厚度為2y,寬度（dù）取1個單位長度，長度為L.假定（dìng）扁槽上下兩麵為（wéi）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，此時扁槽兩側壁對流（liú）速 的減緩作（zuò）用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體（tǐ）的流動行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏（nián）度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推（tuī）導流（liú）體在各種截（jié）麵流道內流動的流動方程式時，不（bú）論牛頓（dùn）流體或非（fēi）牛頓流體，都假定流動（dòng）屬穩定流動狀態，切應力為零，向管（guǎn）壁逐漸增大（dà），而在管壁處為。因而，流體（tǐ）在導管（guǎn）內的速度分布為零，向（xiàng）管壁逐漸減少，而（ér）在管壁處為 零。對牛（niú）頓流體來說，這種速度分布（bù） 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入（rù）導管內時就不屬於穩定流動（dòng），流 體各質點的運動速度在大（dà）小（xiǎo）和方向上（shàng）都（dōu）隨時發生變化，因而其速度分布（bù）幾（jǐ）乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁（bì）極薄一層液層處，其速（sù）度驟降，至管壁處為零，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（cè）定，流體在（zài）此段內的壓力降總是比用式算出的大。這是（shì）因（yīn）為聚合物（wù）熔（róng）體在此（cǐ）區域內產生（shēng）彈性變形和（hé）速度調（diào）整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想（xiǎng）為相當（dāng）於一段導管所引起的（de）損耗（hào），事（shì）實上這一（yī）段導管長度並不存在，因而稱（chēng）為“虛構長度”或“當量長（zhǎng）度”。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的（de）6倍，在此區域內，料（liào）流已經不受導管（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，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹（zhàng）至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可（kě）達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種（zhǒng）現象，即（jí）當剪切速率高（gāo）達一定值時，流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速率越（yuè）大，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（zài）擠出注塑（sù）加工成型中往往采（cǎi）用改（gǎi）進成型（xíng）口模和將（jiāng）流量（liàng）控製在一定範圍（wéi）內來解決。為了分析流（liú）體在穩定流（liú）動時的速度分（fèn）布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀（zhuàng）態分析

注射成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區（qū）段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸送（sòng）、壓縮（suō）、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（chǔ）存在料筒端部的（de）塑料熔體（tǐ）受螺杆的向前推壓通（tōng）過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔（qiāng）內。這一區段的特點是各（gè）段（duàn）流道長徑比較大，截（jié）麵一般具有（yǒu）簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的（de）三個（gè）區段流體基本上不發生（shēng）物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中（zhōng）的流動、相變及固化。這一區段（duàn）完全（quán）在模具內完成，過程非常複雜，涉（shè）及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的（de）狀態

注射成型中，流體在第（dì）II區段的流動要經過多種截麵形（xíng）狀的流道，這裏阻力變化（huà）複雜，壓力（lì）損失大，且模具中的主流道、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（cǐ），仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流（liú）經澆口時狀態的（de）分（fèn）析。

注射成（chéng）型的基本要求（qiú）是根據型腔體積將足量的塑（sù）料熔體以較快的（de）速度注入型腔，再配合其他各種條件，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（yàn），由於注射機的規格（gé）已根據塑件體積選定，注（zhù）射（shè）速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據（jù）表觀（guān）剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速（sù）率為已知值，也即理想的qv值已確（què）定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。但是它們之（zhī）間不（bú）是孤立（lì）的，而是相互有影（yǐng）響的，改變了某一（yī）個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆（jiāo）口長度L 當注射（shè）壓力（lì）保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這（zhè）就使熔體流（liú）經澆口的阻力減小，也就（jiù）使澆口入口（kǒu）與出口之間（jiān）的壓力降減小（xiǎo），熔體在（zài）澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射（shè）螺杆上，螺杆向前推進的速（sù）度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在（zài）不增大澆口斷麵（miàn）的（de）情況下，就能提高注射速率。同時，由於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（yīng）降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速（sù）率（lǜ）有關。又短澆（jiāo）口可以不被固封，可保持常開。由（yóu）於以上理由，設計澆口（kǒu）長度L時，總是取值（zhí）。

(2)澆（jiāo）口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有（yǒu）利於qv值的增大（dà），qv值隨（suí）R4或Wh3成比（bǐ）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（dù）相應增高。所以，澆口截麵的增大有個（gè）極限值，這是大澆口的上限。超過（guò）此值時，再（zài）增大截麵，由於表觀黏（nián）度的增大，反而使qv值（zhí）減小。所以，澆口斷（duàn）麵（miàn）尺寸並非越大（dà）越好。相反，點（diǎn）澆口（kǒu）之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀（guān）黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即（jí）qv越大，它的剪切（qiē）速率越大，因而表觀黏（nián）度越小，越容易注射。東莞市馬（mǎ）馳科注（zhù）塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應（yīng）也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的（de）表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與（yǔ）表觀黏（nián）度失去了依存（cún）關係，稱為（wéi）失去了“剪切速率（lǜ）效應”。超過此極限值時，剪切速率再增（zēng）加，表觀黏度不再降（jiàng）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（shuō），點澆口的直徑不大於（yú） 1.5mm,對較黏的塑（sù）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）頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指（zhǐ）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）降低還（hái）要少。所以，東莞市馬馳科（kē）注塑加（jiā）工廠（chǎng）要（yào）在曲線上選擇一段（duàn）剪切速率，使它（tā）對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速（sù）率取高值，黏（nián）度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具（jù）所難（nán）以達（dá）到的。

(4)表觀黏度 當模（mó）具充不滿時，除增大注射量和（hé）注射速度，加大流道（dào）係統（tǒng）尺寸以便將流量傳（chuán）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（bàn）法是升高（gāo）溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合（hé）物的降解溫（wēn）度（dù），而且溫度提高（gāo）將會增加塑件在模內（nèi）的（de）冷卻（què）時間。降低黏度的（de）另一種辦法（fǎ）是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能（néng）性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增（zēng）大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是（shì）聚合物熔體經澆口射入模具型腔（qiāng）的過程，即充（chōng）模過程（chéng）。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑（sù）加（jiā）工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。