一、聚（jù）合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形（xíng）狀導管內流動的情況。如在注射（shè）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;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺（luó）杆擠進各種（zhǒng）口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓（yā）力降的關係（xì）、切應力與剪（jiǎn）切速率的關係、物料流速（sù）分布、端末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（liàng）和質量、設（shè）計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複（fù）雜（zá）性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的（de）流動作定量的計算。

(一)在圓形（xíng）導管內（nèi）的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半（bàn）徑為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩（wěn）定的（de）層流運（yùn）動，且服從指數（shù）定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度（dù）為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力（lì），於是，其（qí）中壓（yā）力（lì）降Δp與圓柱體截（jié）麵的乘積必等於切應力т與流體層（céng）間接觸麵積的（de）乘積，圓形導管（guǎn）中流動液體受力分析。由（yóu）此看出，切應（yīng）力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步（bù）推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈（chéng）拋物線形。

對於牛頓（dùn）流體或非牛頓黏性（xìng）流體，由於其剪切速（sù）率隻依賴於所施加的切應力（lì），所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓（dùn）黏性定律可（kě）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，故也可得出相應的流速（sù）、體（tǐ）積流量及管壁（bì）處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是（shì）沿（yán） 軸作上（shàng）下（xià）平（píng）行移動而已，因而K'和n可相應視作（zuò）另一個稠度和流動行（háng）為指數，也稱表觀稠度與表（biǎo）觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽（cáo）內的流動

當塑料熔體在（zài）等溫條件下經扁形導槽（cáo）作穩定層流（liú）運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度（dù）為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁（biǎn）槽寬度W應大（dà）於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側（cè）壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不計)，根據力的平衡（héng），得也就成為牛頓流（liú）體的流動（dòng）行為，即為牛頓黏性定律方程（chéng）式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在（zài）推（tuī）導流體在各種截麵流道內流（liú）動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀（zhuàng）態（tài），切應力為零，向管壁（bì）逐漸增大，而（ér）在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布（bù）為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來（lái）說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲（chǔ）槽、大（dà）管進（jìn）入（rù）導管內時就不屬於穩定流動，流（liú） 體各質點（diǎn）的運動速度在大小和方向上都隨（suí）時發生變（biàn）化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管（guǎn）壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁（bì）處為零，流體在進入導管（guǎn）後須經（jīng）一定距離，穩定狀態方能（néng）形成，實（shí）驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式（shì）算出的（de）大。這是因為聚合物熔體在此（cǐ）區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果（guǒ）。

這種入口損耗曾有人設（shè）想為相當於一段導管所引（yǐn）起的損耗，事實上這一段導（dǎo）管（guǎn）長度並不存在，因而（ér）稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變（biàn），實驗證明，聚（jù）合物熔體的當量長度一般約為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料（liào）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，而且脹至（zhì）比導管直徑還要大。當流出速度恒定（dìng）時，導管越短，膨脹（zhàng）越嚴（yán）重，可達一倍之多。除上述入口與出口端（duān）末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定（dìng）值時，流出物表麵呈粗（cū）糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙（cāo），甚至不能（néng）成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在（zài）擠出注塑加工成型中往往采用（yòng）改進成（chéng）型口模和將流量控製在一（yī）定範圍（wéi）內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分（fèn）布，對於符合指數（shù）函數方程（chéng）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（chéng），可（kě）以分成三個區段。第I區段是塑料物料（liào）在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮（suō）、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒（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（de）向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入（rù）型腔內。這一（yī）區段的特點是（shì）各段流道長徑（jìng）比較大，截麵（miàn）一般具有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上不（bú）發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過（guò）程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等（děng）方（fāng）麵的知識。

(一)流（liú）體在流道中（zhōng）的狀態

注射成型中（zhōng），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（zǔ）力變化複雜，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經澆口（kǒu）時狀態的分析（xī）。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔體（tǐ）以（yǐ）較快的速度注入型腔，再（zài）配合其他各種條件（jiàn），效率地生產出外觀和（hé）內部質量（liàng）均（jun1）好的注射塑件。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，根據表觀剪（jiǎn）切速率範圍（wéi）即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由（yóu）於（yú）注射機的規格已（yǐ）根據（jù）塑件體積（jī）選定，注射（shè）速率為已知值，也即理（lǐ）想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率（lǜ）範圍即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之（zhī）間不是孤立的（de），而是相（xiàng）互有影（yǐng）響的，改變了某一個參（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（lì）保（bǎo）持恒定時（shí），則澆口入口處的壓力p1,保持不（bú）變，如果改短澆口長度（dù）L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入（rù）口與出口之間的壓（yā）力降減小，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（de）速度加（jiā）快，也即（jí）注射速度加快，所以，縮（suō）短澆口長度，在不增大（dà）澆口斷麵的情況下，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降低，這是由於非牛頓流體的表觀（guān）黏度與剪切速率（lǜ）有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度（dù）L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口（kǒu）中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截（jié）麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大（dà）截麵，由於表觀黏度的（de）增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷（duàn）麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑（sù）料（liào）熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔（róng）體流速越快，即qv越（yuè）大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越（yuè）小，越容（róng）易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意（yì）味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀（guān）黏度很低（dī）。另外，由於熔（róng）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（bù）溫度，也有利於降低熔體（tǐ）的表觀（guān）黏度。但是，當剪切速率提高到（dào）極限值時，剪（jiǎn）切速率與表觀黏度失去（qù）了依存關係，稱為失去了“剪切速率效應（yīng）”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此（cǐ）時澆口（kǒu）的斷（duàn）麵就是點澆口的極限（xiàn）尺寸。對多數塑料來說，點澆（jiāo）口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選（xuǎn）擇合理的剪切速率 因（yīn）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（qiē）速（sù）率的函數式可用式表（biǎo）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，表觀黏度值降低還（hái）要少。所以，東莞市（shì）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（yǒu）利於注射，這是頗為重要的。一般來（lái）說，剪（jiǎn）切（qiē）速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高（gāo），這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度（dù） 當模具充不滿時，除增大注射量和（hé）注射速度，加大流道係統尺寸以（yǐ）便將流量傳送至澆（jiāo）口外（wài），降低塑料熔體的表觀黏（nián）度也是一個（gè）有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦法（fǎ）是升高（gāo）溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度（dù），而（ér）且溫度提高將會增加塑（sù）件在模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是（shì）提高剪切速率，提高剪切速率（lǜ）也要受到聚合物的降解或燒焦以（yǐ）及（jí）“熔體破（pò）碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或（huò）增大注射壓（yā）力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在（zài）充模過程中的狀態

注射成型（xíng）的第皿區段（duàn）是聚合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過（guò）程。這是一個（gè）複雜的（de）過程，一般為非等溫（wēn）流動。由於這（zhè）一注塑加（jiā）工過程的（de）分析過（guò）於（yú）複雜，在這裏不作進（jìn）一步的闡（chǎn）述。

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