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（chéng）中，經常會遇到聚合（hé）物熔體在各（gè）種幾（jǐ）何形狀導管（guǎn）內流動的情況。如（rú）在注射過程（chéng）中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注（zhù）係統注入型腔內（nèi）;在擠出注塑加（jiā）工成型中，熔體被螺杆擠進（jìn）各種口模。研究（jiū）熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應（yīng）力（lì）與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應等都是十分（fèn）重要的，因（yīn）為這對控（kòng）製成型注（zhù）塑加工工藝、塑件產（chǎn）量和質量（liàng）、設計成型設（shè）備和模具（jù）都有直接關係。由於非牛頓流體流（liú）變行為的複雜性，目（mù）前隻能對幾種簡單截麵（miàn）導管內的流動（dòng）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，假設其流體是在半徑為（wéi）R的（de）圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離（lí） T 為r處（chù）的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力（lì）降Δp與（yǔ）圓柱體截麵的乘（chéng）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。由此看出，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，又可說明流（liú）體（tǐ）在圓形導管內的速度分布為什麽呈（chéng）拋物線形。

對於牛頓流體或非（fēi）牛頓（dùn）黏性流體，由於（yú）其剪切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛（niú）頓流體，由於牛頓黏性定律可以看為（wéi）指數方（fāng）程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速（sù）、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何（hé）形狀相似，隻是沿 軸作上（shàng）下（xià）平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫（wēn）條件下經扁形導槽作穩定層（céng）流運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取（qǔ）1個單位長度（dù），長度為L.假定扁槽上下兩（liǎng）麵為無限寬平行（háng）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（biǎn）槽兩側（cè）壁（bì）對（duì）流速 的減緩（huǎn）作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成（chéng）為牛頓流體的流動行為，即為（wéi）牛頓黏性定（dìng）律方程（chéng）式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效（xiào）應與速度分布

如前所述，在推導流體（tǐ）在各種截麵流道內流動的流動（dòng）方程式時，不論牛頓流體或非牛頓（dùn）流體，都假定流動屬（shǔ）穩（wěn）定（dìng）流（liú）動狀態，切應力為零（líng），向管壁逐漸增大，而（ér）在管壁處為。因而（ér），流（liú）體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁（bì）處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈（chéng）拋物線形;但是，當（dāng）流（liú）體由儲槽、大管進入導管內時就不屬（shǔ）於穩定流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布（bù）幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度（dù）驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須經一定距（jù）離，穩定狀態（tài）方能形成，實驗測定，流體在此段內（nèi）的（de）壓（yā）力降（jiàng）總是比用式算出的大。這是（shì）因為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速（sù）度調整消（xiāo）耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想（xiǎng）為相當於一段導管所引起的損耗，事實上（shàng）這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體（tǐ）條件（jiàn）而改變，實驗證明，聚合物熔體的（de）當量長度一般約為導管半徑（jìng）的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約（yuē）束，料（liào）流各點速度在此重新調整為相等（děng）的速度。

另（lìng）外（wài），在（zài）出口區，假（jiǎ）塑性（xìng）流體繼（jì）收縮之後由（yóu）於彈性恢複又出（chū）現膨脹，而（ér）且脹至比導管直徑還要大（dà）。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹（zhàng）越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口（kǒu）端（duān）末效（xiào）應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時（shí），流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很（hěn）快斷裂，這種現象稱為“熔（róng）體破碎”。在擠出注塑（sù）加工（gōng）成型中往往采用改進成型（xíng）口模和將流量控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流（liú）動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓（dùn）流體和（hé）牛頓流體。

二、注射成（chéng）型中的流動狀（zhuàng）態分析

注射成型中的流動過程，可以（yǐ）分（fèn）成三個區段。第I區段是塑（sù）料物料在注射機內（nèi）旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存（cún）在料（liào）筒的端部。第II區段是儲存在料筒端（duān）部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過（guò）噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內（nèi）。這（zhè）一區段的特點是各段（duàn）流道長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡（jiǎn）單的幾何（hé）形狀。注射過（guò）程中塑（sù）料熔體（tǐ）流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化（huà）。第II區（qū）段是塑料熔體經澆口射入型腔過（guò）程中的流動、相變及（jí）固化。這一區段完全在模具內完成，過程非（fēi）常複雜（zá），涉及三維流動、相遷移（yí）理論、不穩定導熱等方（fāng）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）流動要經過多（duō）種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模（mó）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，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。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型（xíng）腔，再（zài）配合其他（tā）各種條件，效率地生產出外觀（guān）和內部（bù）質量均好的注射塑件。根據實（shí）踐經驗，由（yóu）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，也即理想的qv值已確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。也即求出R 的（de）範圍和寬厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率範圍（wéi）即澆（jiāo）口可求出澆（jiāo）口截麵尺寸的（de）範圍。但是（shì）它們之間不是孤立（lì）的，而是（shì）相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行（háng）分（fèn）析。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不（bú）變（biàn），如果改短澆口（kǒu）長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使（shǐ）澆口入口與（yǔ）出（chū）口之間的壓力降減小（xiǎo），熔（róng）體在澆口中的流（liú）速（sù）增大，這就增大（dà）了（le）q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快（kuài），也即（jí）注射速度加快，所以（yǐ），縮短澆口長度（dù），在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也（yě）即（jí）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黏度與剪切速率有關。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L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆（jiāo）口斷麵有利（lì）於（yú）qv值的增（zēng）大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是（shì），澆口截（jié）麵增（zēng）大了，熔體在澆口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度相應（yīng）增高。所以，澆口截麵（miàn）的增大有個極限值，這是大澆（jiāo）口的上（shàng）限。超（chāo）過此（cǐ）值時，再增大（dà）截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為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（lǜ）越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市（shì）馬馳科注塑加工廠 采用小澆（jiāo）口意味著斷麵很小，即（jí）R很小，熔體流經（jīng）小澆口時流速極（jí）大，剪切速率相應也極大，表觀（guān）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（bù）溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪（jiǎn）切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了依存（cún）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（nián）度（dù）不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的（de）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非牛（niú）頓假塑性（xìng）流（liú）體（tǐ），其表觀黏度與（yǔ）剪（jiǎn）切速（sù）率的（de）函（hán）數式可用（yòng）式表示。即（jí）n.與y是（shì）指數函數關係，不（bú）是線型關係。如果剪切（qiē）速率再高，表觀黏度值降低還要少（shǎo）。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利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏（nián）度 當模具充不滿時，除增大注射（shè）量和注射速度，加大流道係統尺寸以便（biàn）將流量傳送至澆（jiāo）口外，降低塑料（liào）熔體的表觀黏度也是一個有效的辦（bàn）法。降低黏度（dù）的一種辦法是（shì）升高溫度，然而溫度的升高（gāo）也有（yǒu）一定限製，不能高於聚合物的降解溫度（dù），而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏（nián）度（dù）的另一種辦法是提高（gāo）剪切速率，提高（gāo）剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可（kě）借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即（jí）增大切應力或兩者兼備。

(二)流（liú）體在（zài）充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合（hé）物熔體經澆（jiāo）口射（shè）入模具型腔的（de）過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為（wéi）非等溫流動。由於這一（yī）注塑加工（gōng）過程的分析過於複雜，在這（zhè）裏不作進一（yī）步的闡（chǎn）述。