一、聚合（hé）物熔（róng）體在簡單截麵導管（guǎn）內的流動

在塑料注塑加工（gōng）成型過程中，經常會遇到聚合（hé）物熔體在各種幾何形（xíng）狀導管內流動的情（qíng）況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加（jiā）工成型中，熔體被螺杆擠（jǐ）進各種（zhǒng）口模。研究熔體在（zài）流動過程中的流（liú）量與壓（yā）力降的關係、切（qiē）應力與剪切速率的關係、物料流速分（fèn）布（bù）、端末效應等都（dōu）是十分重要（yào）的，因為（wéi）這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成（chéng）型設備和模具都有直接關係。由於（yú）非牛頓流體流變行為（wéi）的複雜性，目前隻能對幾種簡單截（jié）麵導管內的流動作定量（liàng）的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動（dòng）狀況，假設其流（liú）體是（shì）在半（bàn）徑為（wéi）R的圓形導管內作等溫穩定的層流運（yùn）動，且服從指數定（dìng）律。取距離 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（mó）擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘（chéng）積（jī）必等於切應力т與流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（wéi），據此進一步推導的結果（guǒ），又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓（dùn）流體或非牛頓黏性流體，由於其（qí）剪切（qiē）速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下（xià）麵函數（shù）關係（xì）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（chéng）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、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似（sì），隻是沿（yán） 軸作上下（xià）平行移動而已，因而K'和n可（kě）相（xiàng）應視作另一個稠度和流（liú）動行（háng）為指數，也稱表觀稠度與（yǔ）表觀流動行為指（zhǐ）數。

(二)在扁形（xíng）導槽內的流（liú）動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩（wěn）定層流運動時（shí）。在扁形導槽內取一矩形單（dān）元體，其厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行（háng）麵(扁槽寬（kuān）度W應大於扁槽上（shàng）下 平行麵距離2B的20倍（bèi），此時扁槽（cáo）兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據（jù）力的平衡，得（dé）也就成為（wéi）牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定（dìng）律（lǜ）方（fāng）程式，此處K就成為黏（nián）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流動方程式（shì）時，不論牛頓（dùn）流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定（dìng）流動狀態，切（qiē）應力為零（líng），向管壁逐（zhú）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（jiǎn）少，而在管壁處為 零。對牛頓流體（tǐ）來說，這種速度分布 呈（chéng）拋物線形;但是（shì），當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動（dòng），流 體各質點的運動（dòng）速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾（jǐ）乎平坦而成一（yī）直線。隻有貼近（jìn）管（guǎn）壁極薄一層液層處，其（qí）速度驟降，至管壁處為零，流體在（zài）進入導管後須（xū）經一定距離，穩（wěn）定狀態方能形成，實驗測定，流體在此（cǐ）段內的（de）壓力降（jiàng）總是比用式算出的大（dà）。這（zhè）是因為聚合物熔體在（zài）此區（qū）域內產（chǎn）生（shēng）彈性變形（xíng）和速度調整消（xiāo）耗一部分的結果。

這種入口損耗曾（céng）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）導管（guǎn）長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或（huò）“當量長度”。當量長度的長（zhǎng）短隨具體條件而改變，實驗（yàn）證明，聚合物熔體的（de）當量（liàng）長度一般約為導管半徑的6倍，在此（cǐ）區域內，料流已經不受導管約束，料流各點速度在此（cǐ）重新調整為相等的速度。

另（lìng）外，在出口區（qū），假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑（jìng）還要大（dà）。當流出速度恒定時，導（dǎo）管越短（duǎn），膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末（mò）效應外，還有一種現象，即當剪切（qiē）速（sù）率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速（sù）率越大，流出物越粗糙，甚至不能（néng）成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔（róng）體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成型（xíng）口模（mó）和將流量控製在一定範圍（wéi）內來（lái）解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符（fú）合指數函數方程式的非牛頓流（liú）體和（hé）牛頓流體。

二、注射成（chéng）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（shè）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的端部。第II區段是儲存在（zài）料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆（jiāo）口，開始射入（rù）型腔內。這（zhè）一區段的特點是各段流道長徑比較大（dà），截麵一般具（jù）有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上（shàng）不發生物理、化學變化。第II區段是塑（sù）料熔體經澆口射入型腔過（guò）程（chéng）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（lùn）、不穩定導熱等方麵（miàn）的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射（shè）成型中，流（liú）體在第II區（qū）段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大（dà），且模具中的主流道、分流道和澆口的（de）溫度隨時間而變化，溫度場不穩（wěn）定。盡管如此，仍可對其分別（bié）加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀（zhuàng）態的分（fèn）析。

注射成（chéng）型的基本（běn）要求是根據型腔（qiāng）體積將足量的（de）塑料熔（róng）體以較快的（de）速度注入型腔，再配（pèi）合其他各（gè）種條件，效率地生產出外觀和（hé）內部質量（liàng）均好的注射塑件。根據實踐經驗（yàn），由於注射機的規格已根據塑件體積（jī）選定，注射速率為已知（zhī）值，也即理想（xiǎng）的qv值已（yǐ）確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求（qiú）出R 的範（fàn）圍和寬厚積（jī）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（wéi）已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不（bú）是孤立的，而是相互有影響的，改變了（le）某一個參數，其他參（cān）數也（yě）隨之而（ér）變。下麵分別進行分析。

(1)澆（jiāo）口（kǒu）長度（dù）L 當注射壓力保持恒定時，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（róng）體流經澆口的阻力減小（xiǎo），也就使（shǐ）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（gǎn）上，螺杆（gǎn）向（xiàng）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）斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流（liú）速提高（gāo），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（liú）體的表（biǎo）觀黏度與剪切速率（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（jì）澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但（dàn）是，澆口截（jié）麵（miàn）增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相（xiàng）應增高。所以，澆口截麵的增大有個（gè）極（jí）限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再（zài）增大截麵，由於（yú）表觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大（dà）越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕（jué）大（dà）多數塑料熔體的表觀（guān）黏度是剪切速率的函數，熔體（tǐ）流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大，因而（ér）表觀黏（nián）度越小，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（duàn）麵很小，即R很小，熔體流經（jīng）小澆口時流速極大，剪切（qiē）速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體（tǐ）高（gāo）速流經小澆口，部（bù）分轉變為（wéi）熱能，遂提（tí）高了澆口處的局部溫度，也（yě）有利於降低（dī）熔體的表觀黏（nián）度。但是（shì），當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失去了“剪切（qiē）速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏（nián）度不再降低。此時澆口的斷麵（miàn）就是點澆口（kǒu）的極限尺寸。對（duì）多數塑（sù）料來說（shuō），點澆口的直（zhí）徑不大於（yú） 1.5mm,對較黏的塑（sù）料。

(3)選擇合理的剪切速率 因（yīn）為大（dà）多數塑料熔體都（dōu）屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏（nián）度與剪切速率的函數式可用式（shì）表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如（rú）果（guǒ）剪切速率再高，表觀黏（nián）度值降低還要（yào）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（duì）黏度的影響有利於注（zhù）射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速（sù）率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是（shì）大尺寸（cùn）澆（jiāo）口的模具（jù）所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射（shè）量和注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將流量傳（chuán）送至澆口外，降低塑料熔體的（de）表觀黏度也是一個有效（xiào）的辦（bàn）法。降低黏度的一種辦（bàn）法是升高（gāo）溫度，然而溫度的升高也有一定（dìng）限製，不能高於聚合（hé）物的降解（jiě）溫度，而且溫度提高將會增加塑（sù）件（jiàn）在模內的冷卻時間。降低黏度的另一（yī）種辦法是提高剪切速（sù）率（lǜ），提高剪（jiǎn）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（lǜ）可借助於小澆口尺寸或增（zēng）大注射壓力，也即增（zēng）大切應力或兩（liǎng）者（zhě）兼（jiān）備。

(二)流（liú）體在充模過程中的（de）狀態

注射成型的第皿（mǐn）區段是聚合物熔體經澆口射入模具型腔（qiāng）的過程，即（jí）充模過程。這是一個複雜的過程，一般（bān）為非等溫（wēn）流動。由於（yú）這一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述（shù）。