一、聚合物（wù）熔體在簡單截（jié）麵導（dǎo）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（róng）體在各種（zhǒng）幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過（guò）程中，熔體（tǐ）被柱塞推動前（qián）進，從噴（pēn）嘴經澆注（zhù）係統注入型腔內;在擠出注塑（sù）加工成型（xíng）中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體（tǐ）在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力（lì）與剪切速率的（de）關係（xì）、物（wù）料流速分布、端末效應等（děng）都是十（shí）分重要的，因為這（zhè）對控製成型注塑加工工藝（yì）、塑件產量和質量（liàng）、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流（liú）變行為的複雜性（xìng），目（mù）前隻能對幾種簡單截麵（miàn）導管內（nèi）的流動作（zuò）定量的計算。

(一)在圓形導管內的（de）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的圓形導管內（nèi）作等溫（wēn）穩定的層流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單（dān）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（yā）力降Δp與圓柱體截（jié）麵（miàn）的乘積必等於切應（yīng）力т與流體（tǐ）層間接（jiē）觸（chù）麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分（fèn）析。由此看出，切應力（lì）為零，逐漸增大而在（zài）管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導（dǎo）管內的速度分布為什麽呈（chéng）拋物線形（xíng）。

對於牛頓流（liú）體或非牛頓黏性流體，由於其（qí）剪切速率隻依賴於所（suǒ）施加的（de）切應力，所以，可用下麵函數關（guān）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（shí）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（jì）算公式。線（xiàn）幾何形（xíng）狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因（yīn）而K'和n可相應（yīng）視作另一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與（yǔ）表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料（liào）熔體在等溫條（tiáo）件下經扁形導槽作（zuò）穩定層流運動時。在扁形導槽內取一（yī）矩形單元體，其厚（hòu）度為（wéi）2y,寬度（dù）取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限（xiàn）寬平（píng）行麵(扁槽寬度W應大於（yú）扁（biǎn）槽上下 平行麵距離2B的（de）20倍，此（cǐ）時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，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（nián）性定律方程（chéng）式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推（tuī）導流體在（zài）各（gè）種截麵流道內（nèi）流動的流動方程式時，不論牛頓流（liú）體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流（liú）動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處（chù）為。因而，流體在導管內的速度分布為零（líng），向管壁逐漸減（jiǎn）少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來說（shuō），這種速度分布 呈（chéng）拋物線形;但是，當流體由（yóu）儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各質點（diǎn）的運（yùn）動速度在大（dà）小和方向上都（dōu）隨時發生變化，因而其速度（dù）分布幾乎平坦而（ér）成一直線。隻有（yǒu）貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進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（nèi）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（yù）內產生彈性變形（xíng）和速度（dù）調（diào）整消耗一部分的結果。

這種（zhǒng）入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引起的損耗，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”。當量長度的長短隨具體條件（jiàn）而改（gǎi）變，實（shí）驗證明，聚合物熔體的當（dāng）量長度一般約為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受（shòu）導管約束，料流各點速（sù）度在此重新調整為相（xiàng）等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈（dàn）性恢複又出現膨脹，而且脹（zhàng）至比（bǐ）導管直徑還要大（dà）。當流出速度恒定時，導管越短（duǎn），膨脹越（yuè）嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出（chū）口端末效應外，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（dà），流（liú）出物越粗糙，甚至不能成流，很快（kuài）斷裂，這種（zhǒng）現象（xiàng）稱為“熔（róng）體破（pò）碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成型口模和將流量控（kòng）製在一（yī）定範圍內來解決（jué）。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符合指（zhǐ）數函數方程式（shì）的非牛頓流體和牛頓流（liú）體。

二、注射成型中的流動狀態（tài）分析（xī）

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（wù）料在注（zhù）射機內旋轉螺杆與料筒（tǒng）之間進（jìn）行輸送、壓縮、熔融塑化，並將（jiāng）塑化（huà）好（hǎo）的熔體儲存（cún）在料筒的端部（bù）。第II區（qū）段是儲存在料筒端部的塑料熔體（tǐ）受（shòu）螺杆的向前（qián）推壓（yā）通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口（kǒu），開始射入（rù）型腔內。這一區（qū）段的特點是各段（duàn）流道長徑比較（jiào）大，截麵一般具有簡單的幾何（hé）形（xíng）狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動（dòng）的三個區段流體基本上（shàng）不（bú）發生物理、化學變化。第II區（qū）段是（shì）塑料熔體經澆（jiāo）口射入型（xíng）腔過程中的流動、相變及固化。這一區（qū）段完全在（zài）模具內完成，過程非常複雜，涉及（jí）三維流動、相遷（qiān）移理論、不穩定導熱（rè）等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀（zhuàng）態

注（zhù）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（lì）變化複雜（zá），壓（yā）力損失大，且模具中的主流道（dào）、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（qí）分別加以（yǐ）分析。這裏，重（chóng）要的是對塑料熔體（tǐ）流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是根據（jù）型腔體積將足量的塑料熔體（tǐ）以較快的速度注入型（xíng）腔，再配合其他各種條件（jiàn），效率地生產出外（wài）觀和內部質量均好（hǎo）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定，注射（shè）速率（lǜ）為已知值（zhí），也即理想的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。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範（fàn）圍。由於注射（shè）機的規（guī）格已根據塑件體積（jī）選（xuǎn）定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的（de）範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改（gǎi）變（biàn）了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持恒定時，則澆（jiāo）口入口（kǒu）處的壓力p1,保持（chí）不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆（jiāo）口（kǒu）的阻力減小，也就使澆口入口與出口之（zhī）間的壓力（lì）降減小，熔體在（zài）澆口中的流速增大，這（zhè）就增大了q,值。反映（yìng）到注射螺杆（gǎn）上，螺杆向前推進的速度（dù）加快，也即注射（shè）速度加快，所以，縮短（duǎn）澆口長度，在不（bú）增大澆口斷麵的情況下，就能提（tí）高（gāo）注射速率。同時（shí），由（yóu）於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏度與（yǔ）剪切速率有關（guān）。又（yòu）短澆口可以（yǐ）不被固（gù）封，可保持常開。由於以上理由（yóu），設計澆口長（zhǎng）度L時，總是取值（zhí）。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵（miàn）有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵（miàn）增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有（yǒu）個（gè）極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度（dù）的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷（duàn）麵尺寸（cùn）並（bìng）非越大越好（hǎo）。相（xiàng）反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑（sù）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，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科（kē）注塑加工廠 采（cǎi）用（yòng）小澆口意味（wèi）著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時（shí）流速極大，剪切（qiē）速率（lǜ）相應也極大，表觀（guān）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（tí）高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度（dù）。但是，當剪切速（sù）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“剪切速率效應”。超過此極限（xiàn）值時，剪切速率再增加，表（biǎo）觀黏度不（bú）再降低。此時澆口的斷（duàn）麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說（shuō），點（diǎn）澆口的直徑不（bú）大於 1.5mm,對較黏（nián）的塑料。

(3)選擇（zé）合理的剪切（qiē）速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的（de）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。如果剪（jiǎn）切速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注（zhù）塑加工廠要在曲線上選擇一段剪切速率（lǜ），使它對黏度的影響有利於注（zhù）射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的（de）模具所難以達到的（de）。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大（dà）注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送（sòng）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。降低黏度（dù）的（de）一種辦法是（shì）升高溫度，然而溫度（dù）的升高也有一定限（xiàn）製，不能高於聚合物的降解溫（wēn）度，而且溫度提高將（jiāng）會增加塑件在（zài）模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法（fǎ）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焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助（zhù）於小澆口尺寸或增大注射壓力，也（yě）即（jí）增（zēng）大（dà）切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注（zhù）射成型的第皿區段（duàn）是聚（jù）合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即（jí）充模過程。這（zhè）是一個複雜的（de）過程，一般（bān）為非等（děng）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述。