一、聚合物（wù）熔體在簡單截麵導管內的流動

在（zài）塑料注（zhù）塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾（jǐ）何形狀導管內流動的情況。如在（zài）注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注（zhù）入型（xíng）腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體（tǐ）被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效應等（děng）都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑（sù）件產量（liàng）和質量、設（shè）計成（chéng）型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的（de）複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導（dǎo）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（shì）在半徑為R的（de）圓形導管內作等溫（wēn）穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為（wéi）r處（chù）的流體圓柱體（tǐ）單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動（dòng）時，在流體層間產生摩（mó）擦力，於是，其中壓力降Δp與（yǔ）圓柱體截（jié）麵（miàn）的乘積必等於切應力（lì）т與流體（tǐ）層間接觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流（liú）動液（yè）體受力分析。由（yóu）此看出（chū），切應力為（wéi）零，逐漸增大而在管壁處為，據（jù）此進一步推（tuī）導的結果，又可說明流（liú）體在圓形導管內（nèi）的速（sù）度分布為什麽呈拋物線（xiàn）形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切速率（lǜ）隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定（dìng）律可以看（kàn）為指（zhǐ）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（xiàng）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，隻是沿 軸作上（shàng）下平行移動而已，因而K'和n可相應視（shì）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（shù）。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁（biǎn）形導槽作（zuò）穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，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麵(扁槽寬度W應大於扁（biǎn）槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不計)，根（gēn）據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流（liú）動行為，即為牛（niú）頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端（duān）末效應與（yǔ）速度分布

如（rú）前所（suǒ）述，在推導流體在（zài）各種截麵流道（dào）內流動的流動方程式時，不（bú）論牛頓流體（tǐ）或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐（zhú）漸增大，而在管壁處為。因而（ér），流體在導（dǎo）管（guǎn）內的速度分布為零，向管壁逐漸減（jiǎn）少，而在管壁（bì）處為 零。對牛頓（dùn）流體（tǐ）來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲（chǔ）槽、大管進入（rù）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上都隨時發生變化，因（yīn）而其速度分布幾乎平坦而（ér）成一直線。隻有貼近管壁（bì）極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流（liú）體在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，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（hào）一部分的結果。

這種入口損（sǔn）耗曾有人設（shè）想為相當（dāng）於一段導管所引起的損耗，事實上這一（yī）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（de）長短隨具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體（tǐ）的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內，料流（liú）已經不受導管約束，料流各點速度在（zài）此重新調整（zhěng）為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體（tǐ）繼收縮（suō）之後由於彈性恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流出速度（dù）恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一（yī）倍之（zhī）多。除上述入口與出口端末效（xiào）應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流（liú）出物越粗糙，甚至不能（néng）成流，很（hěn）快斷裂，這（zhè）種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型（xíng）中往往采用（yòng）改進成型（xíng）口模和將（jiāng）流量控製在一定範圍內來解（jiě）決。為了分析流體在穩（wěn）定流動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和（hé）牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

注射成（chéng）型中的流動過程，可以（yǐ）分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內（nèi）旋（xuán）轉螺杆與料筒之間（jiān）進行輸送、壓縮（suō）、熔融（róng）塑化，並將塑化好（hǎo）的熔體（tǐ）儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒（tǒng）端部的塑料熔（róng）體受螺杆的向前（qián）推壓通過噴嘴、模具的（de）主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段（duàn）流道長徑比較大，截麵一般具（jù）有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三（sān）個區段流體基本（běn）上不發（fā）生物理、化（huà）學變化。第II區段是塑料熔體（tǐ）經（jīng）澆口射入型腔過（guò）程中的流動、相變及固化。這一區段完全（quán）在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動（dòng）、相遷移理論（lùn）、不穩定導熱等方麵的（de）知識。

(一)流體在流（liú）道中（zhōng）的狀態

注射成型（xíng）中，流體在第II區段的（de）流動要經過多種截麵形狀（zhuàng）的流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的主流道、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（réng）可（kě）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體以較快的速度注入型腔，再配合其（qí）他各種條件，效率地（dì）生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選（xuǎn）定（dìng），注射速（sù）率為已（yǐ）知值，也即理想的qv值已確定，因此，根（gēn）據表觀剪切速率範圍即澆口可求（qiú）出澆口截麵尺寸的（de）範圍（wéi）。也即求出R 的範圍和（hé）寬（kuān）厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的規格（gé）已根據塑件體積選定（dìng），注射速率為已知值，也即理（lǐ）想的qv值已（yǐ）確（què）定，因此，根據表（biǎo）觀剪切速率範圍即（jí）澆口可求出澆口截麵（miàn）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（le）某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進（jìn）行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注（zhù）射壓力保持恒定時，則澆口入口處的壓（yā）力p1,保持不變，如果改短澆口長度（dù）L,這就使熔體流經澆口的阻力減小（xiǎo），也就使澆口入口與出口之間的壓力降減小，熔（róng）體在澆口中的流速增大，這（zhè）就增大了（le）q,值。反映到（dào）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（duǎn）澆口長度，在不增大澆口斷麵的情（qíng）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，也即注射速度提高，熔（róng）體的表觀黏度也相應降低，這是由於（yú）非牛頓流體（tǐ）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（yú）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qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增（zēng）大了（le），熔體（tǐ）在澆（jiāo）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（zēng）大有（yǒu）個極限值，這是（shì）大澆口的上限。超過此值時，再（zài）增大截麵，由於（yú）表（biǎo）觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減小。所以，澆口（kǒu）斷麵尺寸並非（fēi）越大越好。相反，點澆口之所（suǒ）以成功，是因為絕（jué）大（dà）多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速（sù）越快，即qv越大，它的剪切速率越（yuè）大，因而表觀（guān）黏度越小，越容易注（zhù）射。東莞市馬馳科注塑（sù）加工廠 采用小澆口意味（wèi）著斷（duàn）麵很小，即R很（hěn）小，熔體流經小澆（jiāo）口（kǒu）時（shí）流速極大，剪切（qiē）速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口（kǒu）處的（de）局部溫度，也有利於降低熔（róng）體的表觀黏（nián）度。但是，當剪切（qiē）速率提高到極限值時，剪切（qiē）速率與表觀黏度失去了依存（cún）關係，稱為失去了（le）“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵（miàn）就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料（liào）來說，點澆口（kǒu）的直徑不大於 1.5mm,對較黏的（de）塑料。

(3)選（xuǎn）擇合理的剪切速率 因為（wéi）大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑（sù）性流體，其表觀黏度與剪切（qiē）速率的函數式可用式表示。即n.與y是指（zhǐ）數（shù）函數關係，不是（shì）線型關（guān）係（xì）。如果剪切速率（lǜ）再高，表觀黏度值降低還要（yào）少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng）要在曲線上選擇一段剪切速（sù）率，使它對黏度的影響有利（lì）於注射，這是（shì）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（mǎn）時，除增大注射量（liàng）和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口（kǒu）外，降低塑料熔（róng）體的表觀黏度也是一個有效的辦法（fǎ）。降低黏度的一種辦法（fǎ）是升高溫度（dù），然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的（de）另一種辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以（yǐ）及“熔體破（pò）碎”可能性的限製。提（tí）高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切（qiē）應力或兩者兼備。

(二)流體（tǐ）在充模過程中的狀態

注射成型的（de）第皿區段是聚（jù）合物熔（róng）體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過（guò）程。這是一（yī）個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於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（chǎn）述。