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（jǐ）何形狀（zhuàng）導管內流（liú）動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前（qián）進，從噴嘴經澆注係統注入（rù）型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺（luó）杆擠進各種口（kǒu）模（mó）。研究熔體在（zài）流動過程中的流（liú）量與壓力降（jiàng）的關係、切（qiē）應力（lì）與剪切速率的關係、物（wù）料流速分布、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（gōng）藝、塑件產量和質量、設計成型設備（bèi）和模具都有直接關係。由（yóu）於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種（zhǒng）簡單截麵導（dǎo）管內的流動作定量的計（jì）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狀況，假設其流體是在半徑為R的圓形（xíng）導管內（nèi）作等溫穩（wěn）定的（de）層流（liú）運（yùn）動，且服從指數定律。取距離（lí） T 為r處的流體（tǐ）圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向（xiàng）右移動（dòng）時（shí），在流體層間產（chǎn）生摩擦力，於是，其中壓（yā）力降（jiàng）Δp與（yǔ）圓柱體截麵（miàn）的乘（chéng）積必等於（yú）切應力（lì）т與流體層間（jiān）接（jiē）觸麵積的乘（chéng）積，圓形導管中流動液體（tǐ）受（shòu）力分析。由此看出，切（qiē）應力為零，逐（zhú）漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流（liú）體在圓（yuán）形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性（xìng）流體，由於（yú）其（qí）剪切速率隻依賴於所（suǒ）施加的切應力，所以，可用下麵（miàn）函數關（guān）係來表示，對於牛頓流體（tǐ），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，故也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，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（biǎn）形導槽內的流動

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（biǎn）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（zhǎng）度（dù）為L.假定扁（biǎn）槽上下兩麵為（wéi）無限寬平行麵(扁槽寬度（dù）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（yòng）可忽略不（bú）計)，根據力的平（píng）衡，得也就成為牛頓（dùn）流體的流動行為，即為牛頓黏性（xìng）定律方（fāng）程（chéng）式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如（rú）前所（suǒ）述，在推導流體在各種截麵流道內（nèi）流動（dòng）的流動方程式時，不論牛（niú）頓流體或非牛頓流（liú）體（tǐ），都假定流動屬穩定流動（dòng）狀態（tài），切應力為（wéi）零，向（xiàng）管壁逐漸增大，而在管壁（bì）處為（wéi）。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓（dùn）流體來說，這（zhè）種速度（dù）分布 呈拋物線形;但是，當流體（tǐ）由儲槽、大管進（jìn）入導管（guǎn）內時（shí）就不屬於穩定流動，流 體各質點的（de）運（yùn）動速度在大小（xiǎo）和方向上都隨時發生變（biàn）化，因而其速度分布幾乎平坦而成一（yī）直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體（tǐ）在進入導管後須經（jīng）一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測（cè）定，流體在此段內（nèi）的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔（róng）體在此區域內產生彈性變形和速（sù）度調整消耗一部（bù）分的結果。

這種入口損耗曾有人（rén）設想（xiǎng）為相當（dāng）於（yú）一段（duàn）導管所引起的損耗，事實上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（liàng）長度的長（zhǎng）短隨（suí）具體條件而改變，實（shí）驗證明，聚合物熔體（tǐ）的當量長度一般（bān）約為導管半徑（jìng）的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料流（liú）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（liú）體（tǐ）繼收縮之後由於彈性恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導管直徑還（hái）要大。當流（liú）出速度恒（héng）定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍（bèi）之多。除上述（shù）入（rù）口與（yǔ）出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值（zhí）時，流出物表麵呈粗（cū）糙（cāo）狀，剪切速率（lǜ）越大，流出物越粗糙（cāo），甚至不（bú）能成流，很（hěn）快斷裂，這種（zhǒng）現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍（wéi）內（nèi）來解決。為了（le）分析流體在穩定流動（dòng）時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛（niú）頓流體（tǐ）。

二、注射成型中的流動狀態分析（xī）

注（zhù）射成型中的（de）流動過程，可以分成三個（gè）區段。第I區段是塑料物料（liào）在注射機內旋轉（zhuǎn）螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑（sù）化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲（chǔ）存在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、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點（diǎn）是各段流（liú）道長（zhǎng）徑比較大，截麵一般具有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔（róng）體流動的三個區段流體（tǐ）基（jī）本上不（bú）發生物（wù）理、化學變化。第（dì）II區段（duàn）是（shì）塑料熔體經澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化（huà）。這一區段完全在模具內完成（chéng），過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知（zhī）識（shí）。

(一)流體在流道中（zhōng）的（de）狀態

注射成型中，流體在（zài）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（dà），且（qiě）模（mó）具中的主流道、分流道和澆（jiāo）口的溫（wēn）度隨（suí）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（xī）。這裏，重要的是對塑料熔體流經（jīng）澆口（kǒu）時狀（zhuàng）態的分析（xī）。

注（zhù）射成型的基本要求（qiú）是根據型腔體積（jī）將足量的塑料（liào）熔體以較快的速度注入（rù）型腔，再配合其他各（gè）種（zhǒng）條件，效率地生產出外觀（guān）和內（nèi）部質量均好的注（zhù）射塑（sù）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（zhí）已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出（chū）澆口截麵（miàn）尺寸的範圍（wéi）。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由於注（zhù）射機的（de）規格已根（gēn）據塑件體積選定，注射（shè）速率（lǜ）為（wéi）已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切速率範圍（wéi）即澆口可求出（chū）澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而（ér）是（shì）相互有影（yǐng）響的，改變（biàn）了某（mǒu）一（yī）個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力（lì）保持（chí）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（jiù）使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出（chū）口之間的壓力降減小（xiǎo），熔體在澆口中（zhōng）的流速（sù）增大（dà），這就（jiù）增大了q,值。反映到（dào）注射（shè）螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快（kuài），所以（yǐ），縮短澆（jiāo）口長度，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，也即注射速度提高，熔體（tǐ）的表（biǎo）觀（guān）黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體（tǐ）的表觀黏度與剪切速率（lǜ）有關。又短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理（lǐ）由，設計澆（jiāo）口長度L時，總是取值。

(2)澆口（kǒu）斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的（de）增大，qv值隨R4或Wh3成比（bǐ）例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中的流速減（jiǎn）慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以（yǐ），澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時（shí），再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減小（xiǎo）。所以（yǐ），澆（jiāo）口斷麵尺寸（cùn）並非越大越好。相反，點澆（jiāo）口之所以成功，是因為（wéi）絕大（dà）多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數（shù），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。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味（wèi）著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時流速（sù）極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低（dī）。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的（de）局部溫度，也（yě）有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪（jiǎn）切（qiē）速率提高到（dào）極限值時，剪切速率與表觀黏度（dù）失去了依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不（bú）再（zài）降低。此時澆口的斷麵就是（shì）點澆口的極限尺（chǐ）寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大（dà）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（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函（hán）數式可用式（shì）表示。即n.與（yǔ）y是指（zhǐ）數函數關係，不（bú）是線（xiàn）型關（guān）係。如果剪切速率再高（gāo），表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠要在曲線上選擇一段剪切速率，使（shǐ）它對黏度的（de）影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來（lái）說，剪切速率取高值，黏（nián）度影（yǐng）響（xiǎng）小。而且盡可能高，這是大尺寸（cùn）澆口的（de）模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模（mó）具充不滿時，除增大注射量和（hé）注射速度，加大流（liú）道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表（biǎo）觀（guān）黏度也是一個有效的辦法（fǎ）。降低黏（nián）度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的（de）降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在（zài）模內的冷卻時間。降低黏度（dù）的另一種辦（bàn）法是（shì）提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦（jiāo）以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製。提高剪切速（sù）率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的（de）第皿（mǐn）區段是聚合物熔體經（jīng）澆口射入（rù）模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的（de）過程，一般為非（fēi）等溫（wēn）流動。由於這一注（zhù）塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一（yī）步的闡述。