一、聚合物熔體在簡單截麵（miàn）導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程（chéng）中（zhōng），經常（cháng）會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動（dòng）的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞（sāi）推（tuī）動前（qián）進，從噴嘴經澆注係統注（zhù）入型腔內;在擠（jǐ）出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過（guò）程中的流量與（yǔ）壓力降的（de）關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末（mò）效應等都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產（chǎn）量和質量、設（shè）計成（chéng）型（xíng）設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜（zá）性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作（zuò）定量的（de）計算。

(一)在圓形導管內的（de）流（liú）動

為了研究聚合物熔體在圓形導管（guǎn）內的流動狀（zhuàng）況，假（jiǎ）設（shè）其流體是在半徑為R的圓形導管（guǎn）內作（zuò）等溫穩定的層流（liú）運動（dòng），且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元（yuán），其長度為（wéi）L,當（dāng）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與圓柱體截麵（miàn）的乘積必（bì）等於切應力т與流體層間接（jiē）觸麵積（jī）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（líng），逐漸增大而（ér）在管壁（bì）處為，據此進一步推導的（de）結果，又可說明流體在圓形導管內（nèi）的（de）速度分布為什麽呈拋（pāo）物線形。

對（duì）於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其（qí）剪切速率（lǜ）隻依賴於所施加的切應力，所以（yǐ），可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛（niú）頓黏性定（dìng）律（lǜ）可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得（dé）出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式（shì）。線幾何形狀相（xiàng）似，隻是沿 軸（zhóu）作上下平行移動而已，因（yīn）而K'和n可相應視作另一個（gè）稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度（dù）與表觀流（liú）動行為指數。

(二)在（zài）扁形導槽內的流動（dòng）

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁（biǎn）形（xíng）導槽（cáo）內取一矩形單元體（tǐ），其厚度為2y,寬度取1個單位長度（dù），長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行（háng）麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側（cè）壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據（jù）力（lì）的平衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛（niú）頓黏性（xìng）定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末（mò）效應與速度分布

如前所述，在推導流體在各種截麵流道內流動的（de）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（wěn）定（dìng）流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大（dà），而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分（fèn）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;但是，當流體（tǐ）由儲槽、大管進入導（dǎo）管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速（sù）度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其（qí）速度分（fèn）布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須經一（yī）定距離，穩定（dìng）狀態方能形（xíng）成，實驗測定，流體在此段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性變形和速度調整（zhěng）消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起（qǐ）的損（sǔn）耗，事實上這一段導管長度並不存（cún）在，因而稱為“虛構（gòu）長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改（gǎi）變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度（dù）一般約為導管半徑的6倍，在此（cǐ）區域內，料流已經不受導（dǎo）管約束，料流各點（diǎn）速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在（zài）出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複（fù）又出現膨脹，而且脹至比導（dǎo）管直徑還（hái）要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨（péng）脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當（dāng）剪切（qiē）速率高達一定值（zhí）時，流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速（sù）率越大，流出物越粗（cū）糙，甚（shèn）至不能成流，很快斷裂，這種（zhǒng）現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成（chéng）型（xíng）中往（wǎng）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。為了分析流體在穩定流（liú）動時的（de）速度分布，對於符合指數函數（shù）方程式的非牛頓流（liú）體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態（tài）分析

注射成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注（zhù）射機內旋轉螺杆與（yǔ）料筒之間進行輸（shū）送、壓（yā）縮、熔融塑化，並將塑化（huà）好的熔體儲存（cún）在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑（sù）料熔體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，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長（zhǎng）徑比較大，截麵（miàn）一（yī）般具有簡單的幾（jǐ）何形狀。注射（shè）過程中（zhōng）塑料熔體流動的三（sān）個區段流體基本（běn）上（shàng）不發生物理、化學變化。第II區段是塑料（liào）熔體經（jīng）澆口（kǒu）射入型（xíng）腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在（zài）模具內完（wán）成，過程非（fēi）常複（fù）雜，涉及三維流動、相（xiàng）遷移理論（lùn）、不穩定導熱（rè）等方麵的知識。

(一)流體在（zài）流道中的狀態

注射（shè）成型中，流體在第（dì）II區段的流（liú）動（dòng）要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化（huà）複雜，壓力損失大，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（chǎng）不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成型的（de）基本要（yào）求是根據型腔體積將足量的（de）塑料熔體以較快（kuài）的速度注入型腔，再配合其（qí）他各種條件，效（xiào）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，由於注射機的規格已根據（jù）塑件體積選定，注射速率為已知值（zhí），也（yě）即理想的qv值已確定，因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截（jié）麵尺寸的範（fàn）圍。也即求出R 的範（fàn）圍（wéi）和寬厚積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑（sù）件體積選定，注射速（sù）率為已知值，也即（jí）理想的qv值已確定（dìng），因此，根據（jù）表觀剪切速（sù）率範圍即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的（de）範圍。但是它們（men）之間不是孤立的，而是相互（hù）有影（yǐng）響的，改變（biàn）了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處（chù）的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力（lì）減小，也就使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（luó）杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所（suǒ）以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時（shí），由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度提（tí）高，熔體的表觀黏度也相（xiàng）應（yīng）降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速率（lǜ）有關。又短澆口可以不被固（gù）封，可保持常開（kāi）。由於以上理由，設計澆口（kǒu）長度L時，總是取值（zhí）。

(2)澆口斷麵（miàn）尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨（suí）R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在（zài）澆口中的（de）流速減慢（màn），熔體的表觀黏（nián）度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是（shì）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。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口（kǒu）之所以成功，是因為絕大多（duō）數塑料（liào）熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速（sù）越快，即qv越大，它的剪（jiǎn）切速率（lǜ）越大，因而表觀黏度越小，越容易注（zhù）射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工（gōng）廠 采用小澆口意味著斷麵很（hěn）小，即R很小（xiǎo），熔體流（liú）經小澆口時流速極大，剪切速（sù）率相應也極大，表（biǎo）觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經（jīng）小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫（wēn）度，也有利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（shī）去了依存關係，稱為失去（qù）了“剪切速（sù）率效（xiào）應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不（bú）再（zài）降低。此時澆口的斷麵就是點澆（jiāo）口的極限尺寸。對多數塑料來（lái）說，點澆（jiāo）口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於（yú）非牛頓假塑性流體，其（qí）表觀黏度與剪切速率的（de）函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不（bú）是線型關係。如果剪（jiǎn）切（qiē）速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，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射，這（zhè）是頗為重（chóng）要的。一般來說（shuō），剪切速（sù）率（lǜ）取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是大（dà）尺寸（cùn）澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當（dāng）模具充不滿時，除增（zēng）大注射量和（hé）注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將（jiāng）流（liú）量傳（chuán）送至澆口外，降低塑料熔（róng）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，然而溫度的升（shēng）高也（yě）有一定限製，不（bú）能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高（gāo）將會增加塑件在模（mó）內的（de）冷卻時間（jiān）。降低黏度的另一種辦法（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（tǐ）破碎”可能性的限製（zhì）。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流（liú）體在充模過程（chéng）中的狀態

注射成型的第皿區段是聚（jù）合（hé）物熔體經澆口（kǒu）射入模具型腔的過（guò）程，即充模過（guò）程。這是一個複雜的過程，一般為（wéi）非等溫（wēn）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（yī）步的闡述。