一、聚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（zhōng），經常會（huì）遇（yù）到（dào）聚合物熔體在各種幾何形（xíng）狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱（zhù）塞推動前（qián）進，從噴嘴經澆注係統注（zhù）入型腔內;在（zài）擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流（liú）動過程中的流量與壓（yā）力降的（de）關（guān）係、切應力與剪切（qiē）速率的關係、物料流速分布、端末效應等都是（shì）十分重要的，因為這對控製成型注塑（sù）加工工藝、塑（sù）件產量和質量、設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）導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假（jiǎ）設其（qí）流（liú）體是在（zài）半徑為R的圓形導管（guǎn）內作等溫穩（wěn）定的（de）層流運（yùn）動，且（qiě）服從（cóng）指數定律。取距（jù）離 T 為r處的流體（tǐ）圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左（zuǒ）向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓（yā）力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流（liú）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（cǐ）看出，切應力為零，逐漸增大而（ér）在管壁處為，據此進一步推導的（de）結果，又可說明流（liú）體（tǐ）在圓形導管內的速度分布為什（shí）麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切（qiē）速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，此時牛頓黏度η=ド，故也可（kě）得出相應的流速、體積流量（liàng）及管壁（bì）處剪切速（sù）率的計算公式。線幾（jǐ）何（hé）形狀相似，隻是沿 軸作上（shàng）下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另（lìng）一個稠度和流動行為指數（shù），也稱表觀稠度（dù）與表觀流動行為指數。

(二)在扁（biǎn）形導槽內的流動

當塑料熔（róng）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）單元體（tǐ），其（qí）厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位長度，長（zhǎng）度為L.假定扁槽上（shàng）下兩麵為無（wú）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（shí）扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用（yòng）可忽略不計)，根據力的平衡（héng），得也就成為牛頓流體的流動行為，即（jí）為牛頓（dùn）黏性定律（lǜ）方程式，此處K就成為黏（nián）度n.

(三)端末效（xiào）應與速度分布

如前所述，在推導流（liú）體在各種截麵流道（dào）內流動的流動方程式時，不（bú）論牛頓流（liú）體或非（fēi）牛頓（dùn）流體，都假定流動屬穩（wěn）定流動狀態（tài），切應力為（wéi）零，向管壁逐漸增（zēng）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（ér）在管壁處為 零。對（duì）牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋（pāo）物線形;但是，當流體由（yóu）儲（chǔ）槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向（xiàng）上（shàng）都隨時發生變化，因而其速度分布（bù）幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁（bì）極薄（báo）一層液層處，其（qí）速度驟降，至管壁處為（wéi）零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀（zhuàng）態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用（yòng）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消耗一部分的結果。

這（zhè）種入口（kǒu）損耗（hào）曾有人設想為相當於一段導管所引（yǐn）起的損耗，事實（shí）上這一段導管長度並不（bú）存（cún）在，因而稱為（wéi）“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（wù）熔體（tǐ）的當量（liàng）長度一般約（yuē）為導管半徑的6倍，在此區域內（nèi），料流已經不受（shòu）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（qū），假塑性流體繼收縮之（zhī）後由於彈性恢複又（yòu）出現膨脹，而且脹至比導管直（zhí）徑還要大。當（dāng）流出速度恒（héng）定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達（dá）一倍之多（duō）。除（chú）上述入口與出口（kǒu）端末效應外，還有一（yī）種現象，即當剪切速率高達一（yī）定值（zhí）時，流（liú）出物表麵呈（chéng）粗糙狀（zhuàng），剪切速率（lǜ）越大，流（liú）出物越粗糙，甚至（zhì）不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往（wǎng）采用改（gǎi）進成型口模和將流量控（kòng）製在一定範圍內來解決。為（wéi）了分析流（liú）體在穩（wěn）定流動時的速度分（fèn）布，對於符合指數函數方（fāng）程式的非牛（niú）頓流體和牛頓流體。

二、注（zhù）射成型中的流動狀態分（fèn）析

注射成型中的流動過程（chéng），可以分成三（sān）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（hǎo）的熔（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（luó）杆的向（xiàng）前推（tuī）壓通過（guò）噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射（shè）入型腔內。這一區段的特（tè）點是各段流道長徑比較（jiào）大，截麵一般具有簡單的幾何形（xíng）狀。注射過程（chéng）中塑料熔體流動的三個（gè）區段流（liú）體基本上不發生物（wù）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（qū）段完全在模具內完成，過程非常複（fù）雜，涉及三維流動、相遷移理論、不（bú）穩（wěn）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II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複（fù）雜，壓（yā）力損（sǔn）失大，且模具中的主流道、分流（liú）道和（hé）澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這（zhè）裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求（qiú）是根據型腔體積將足量的塑料熔體以較快的速度注入型（xíng）腔，再配合其他各種條件（jiàn），效率（lǜ）地生產出外（wài）觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機（jī）的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也（yě）即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即（jí）澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機（jī）的規格已根據塑件體（tǐ）積選定，注射速率為已知值，也即理想的（de）qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆口截（jié）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（gǎi）變了某一個參數，其他參數也隨（suí）之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆（jiāo）口長（zhǎng）度L 當注（zhù）射壓力保持恒定時，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的壓力降減小，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，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射（shè）速率。同時（shí），由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏（nián）度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速（sù）率有關。又短澆口（kǒu）可以不被固封，可保持常開。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵（miàn）有利（lì）於qv值的（de）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（màn），熔體的表觀黏度相應增高。所（suǒ）以，澆口截麵的增大有個（gè）極限值，這是大澆口的上限。超過此值時（shí），再（zài）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（fēi）越大越好。相反，點澆（jiāo）口之所以成功，是因為（wéi）絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大（dà），因而表觀黏度越小，越容易注（zhù）射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體（tǐ）流經小（xiǎo）澆口時流速極大，剪切速（sù）率相應也（yě）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（biàn）為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度（dù），也有利於降低熔體的表（biǎo）觀黏度。但（dàn）是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速（sù）率與表觀黏度失（shī）去了依存關係，稱為失去了“剪切速率效（xiào）應”。超過此極限值（zhí）時，剪切速率（lǜ）再（zài）增（zēng）加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的（de）極限（xiàn）尺寸。對（duì）多數塑料（liào）來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數（shù）塑料熔（róng）體都（dōu）屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關（guān）係（xì）。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（chí）科注塑加工廠要在曲線上選擇一段（duàn）剪切速（sù）率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度（dù）影響（xiǎng）小。而且盡可能高，這（zhè）是大尺寸澆口的模具（jù）所難以達到的。

(4)表（biǎo）觀黏度 當模具充不滿時，除增大（dà）注射量和注射速度，加大（dà）流道係統尺寸（cùn）以（yǐ）便將流量傳送至澆（jiāo）口外，降（jiàng）低（dī）塑料熔體的表觀黏度也是一（yī）個有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫（wēn）度，然而溫度（dù）的升高也有一定限製，不能高於聚合（hé）物的降（jiàng）解溫度，而且溫度提高（gāo）將會增加塑件在模內的冷卻時間（jiān）。降低（dī）黏度的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒（shāo）焦以及“熔體破（pò）碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於（yú）小澆口（kǒu）尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充（chōng）模過程中的狀態

注射（shè）成型的第（dì）皿（mǐn）區段是聚合物熔體經澆口射（shè）入模具型腔的過程，即充模過（guò）程。這是一個複雜的過程，一（yī）般為非等溫流動。由於這一注塑（sù）加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。