一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚合物（wù）熔體（tǐ）在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推（tuī）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（bèi）螺杆擠（jǐ）進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速（sù）率的關係、物料（liào）流速分（fèn）布、端末效（xiào）應等都是十分重要的，因（yīn）為這（zhè）對（duì）控製成型注塑加工工藝（yì）、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都有直接關係（xì）。由於（yú）非（fēi）牛頓（dùn）流（liú）體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種（zhǒng）簡單截麵導（dǎo）管（guǎn）內的流動作定量的（de）計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓（yuán）形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形導管內作（zuò）等（děng）溫穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓（yuán）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（zhōng）壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積（jī）必等於切應力т與流體層間接觸麵積的（de）乘（chéng）積，圓形導管中流動液體受力分析。由此看（kàn）出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推（tuī）導的結果，又可說（shuō）明流（liú）體在圓形導管（guǎn）內（nèi）的速度分布為什麽呈拋（pāo）物線形（xíng）。

對於牛頓流體或非（fēi）牛（niú）頓黏（nián）性流體，由於其剪切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下（xià）麵函數關係來表示，對於（yú）牛頓流體，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，此時牛頓黏（nián）度η=ド，故也可得出相應的流（liú）速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線（xiàn）幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行（háng）移動而（ér）已，因而K'和n可相應視作另一個稠（chóu）度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內（nèi）的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形（xíng）單（dān）元體，其（qí）厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽（cáo）上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽（cáo）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速 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也（yě）就成為牛頓流體的流動行為，即（jí）為牛頓黏性定（dìng）律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應（yīng）與速度分布

如（rú）前所述，在推導流體在各種截（jié）麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動（dòng）屬穩定（dìng）流動狀態，切應力為零（líng），向管（guǎn）壁逐漸增大，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（zài）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，當流體由儲槽、大管（guǎn）進入導管內時就不屬（shǔ）於（yú）穩定流動，流 體各質點的（de）運動速（sù）度在（zài）大小和方向上都隨時發生變化（huà），因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層（céng）液層處，其速度（dù）驟降，至管壁處為零，流體（tǐ）在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩（wěn）定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的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的損耗，事實上這一段（duàn）導（dǎo）管（guǎn）長（zhǎng）度並不存在，因而稱為（wéi）“虛構長度（dù）”或“當量長度”。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，料流已經不受導管（guǎn）約束（shù），料流各點速度（dù）在此重新調整為相等的速度。

另外，在（zài）出（chū）口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨（péng）脹，而且脹至比導管（guǎn）直徑還要大。當流出速度恒定時，導管（guǎn）越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效（xiào）應外，還有一種現象，即（jí）當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，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（zhǒng）現（xiàn）象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成型口模和將流量控製在一（yī）定（dìng）範圍內來（lái）解決。為了分析流體在穩定（dìng）流動時的速度分布，對於符合指數（shù）函數方程式的非牛頓流（liú）體和牛頓流體（tǐ）。

二（èr）、注射成型中的流動狀態分析

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（de）熔體儲（chǔ）存在（zài）料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向（xiàng）前推壓通過噴嘴、模具的主（zhǔ）流道、分流（liú）道（dào）和澆口，開始射入型（xíng）腔內。這（zhè）一區段的特點是各段流道長徑（jìng）比較大，截麵一般具（jù）有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料（liào）熔體流（liú）動的三個區段流體基本上不發生物理、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（qiān）移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的（de）流動要經（jīng）過多種截麵形狀的流道，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（dù）隨時間而變化，溫度場不穩定（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重（chóng）要（yào）的（de）是（shì）對塑料熔體流經澆（jiāo）口時狀態的分析。

注射成型的基本要（yào）求是根（gēn）據型腔體（tǐ）積將足量的塑（sù）料熔體以較快的速度注入型腔，再配合其（qí）他各（gè）種條件，效率地生產出（chū）外觀和（hé）內部質（zhì）量均好的注射（shè）塑件。根據實踐經驗（yàn），由於（yú）注射機的規格已根據塑件體積選定，注射（shè）速率為已知值，也即（jí）理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率（lǜ）範圍即（jí）澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬（kuān）厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據（jù）塑件體（tǐ）積選定，注射速率為（wéi）已知值，也即理想的qv值已確定（dìng），因此，根據表觀（guān）剪切速率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其（qí）他參（cān）數也隨之而變。下麵分別（bié）進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力（lì）保持恒（héng）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,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口之間（jiān）的壓（yā）力降減小，熔體在澆口中的流速增（zēng）大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆（gǎn）向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度（dù），在（zài）不增大澆口（kǒu）斷麵（miàn）的情況下，就能提（tí）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（tǐ）的表觀黏度也相（xiàng）應降低，這（zhè）是由於非牛頓流（liú）體（tǐ）的表觀（guān）黏度與剪切速（sù）率有關（guān）。又（yòu）短澆（jiāo）口可以不被固（gù）封，可保持（chí）常開。由於以上理由，設計澆口長度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R4或Wh3成（chéng）比例增（zēng）長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中（zhōng）的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所（suǒ）以，澆口截麵的增大有個極（jí）限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表（biǎo）觀黏度的增大，反而（ér）使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是（shì）因為絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的（de）函數，熔體流速越快，即qv越（yuè）大，它的剪切速率越大，因而表觀黏度越（yuè）小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔（róng）體流經小澆口時流（liú）速極大，剪切速率相應也（yě）極大，表觀黏（nián）度很低。另外，由於熔體高速（sù）流經小（xiǎo）澆口，部分（fèn）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（biǎo）觀黏度失去（qù）了依存關係，稱為失去了“剪切速（sù）率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增（zēng）加，表觀（guān）黏度不（bú）再降低。此時澆口（kǒu）的斷麵就是點澆（jiāo）口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大（dà）於 1.5mm,對較黏（nián）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非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率（lǜ）的函數式可（kě）用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關（guān）係。如果剪切速率再高（gāo），表（biǎo）觀黏度值降低還要少。所以，東莞（wǎn）市馬馳科注塑加工廠要在曲線上（shàng）選擇一（yī）段剪切（qiē）速率，使它對黏度（dù）的影響有利於注（zhù）射，這是頗為重要的。一般（bān）來（lái）說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模（mó）具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增（zēng）大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降（jiàng）低塑（sù）料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法（fǎ）。降低黏度的一（yī）種辦法是升高溫度，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，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷（lěng）卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪（jiǎn）切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及（jí）“熔體破碎”可（kě）能性的限製。提高剪（jiǎn）切速率可借（jiè）助（zhù）於小澆口尺寸或增大注（zhù）射壓力，也即增大切應（yīng）力或兩者兼備（bèi）。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成（chéng）型的第皿區段（duàn）是聚合物熔（róng）體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個（gè）複（fù）雜的過程，一般（bān）為非（fēi）等溫流動。由於這一注塑加工（gōng）過（guò）程的分析過於複雜，在這裏不作（zuò）進一（yī）步的闡（chǎn）述（shù）。