一、聚合物熔體在（zài）簡單截麵導管內的流動

在塑料注塑加（jiā）工成型過（guò）程中，經常會遇（yù）到聚合物熔（róng）體（tǐ）在各種幾何形狀導管內（nèi）流動的情況。如在注（zhù）射過程中，熔體（tǐ）被柱（zhù）塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑（sù）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（sù）率的關係、物料（liào）流速分布、端末效應等（děng）都是十分重要的，因為這對控製成（chéng）型注（zhù）塑加工工藝、塑（sù）件產量和質（zhì）量、設計成型（xíng）設備和模具都有直接關係。由於（yú）非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截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（tǐ）在圓形（xíng）導管（guǎn）內的流（liú）動狀況，假設（shè）其流體是在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定（dìng）的層流運動，且服從指數定律。取（qǔ）距離 T 為r處的流體圓（yuán）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，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流（liú）體層間接觸麵積的乘（chéng）積，圓形導管中流動（dòng）液體受力分析。由此（cǐ）看出（chū），切應力為零，逐漸增大而在管（guǎn）壁處為（wéi），據此（cǐ）進一步推導的結果，又可說明流體在圓形（xíng）導管內（nèi）的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓（dùn）黏性流體（tǐ），由於其剪切速率隻依（yī）賴於所施加的切應力，所以，可用（yòng）下（xià）麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律可（kě）以看為指數方程（chéng）式r=Ky”中n=1時的特例，此時（shí）牛頓黏度（dù）η=ド，故也可（kě）得出相應的流速、體積流量及管（guǎn）壁處剪（jiǎn）切（qiē）速率的計算公式。線幾（jǐ）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（liú）動（dòng）行為指數，也稱（chēng）表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形單（dān）元體，其厚度為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 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程（chéng）式（shì），此處K就成為黏（nián）度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導（dǎo）流體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論（lùn）牛頓（dùn）流體或非牛頓流體，都假定流（liú）動屬（shǔ）穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而（ér）在管壁處為。因而（ér），流體在導管內的（de）速度分布為零，向管（guǎn）壁逐漸減少，而在（zài）管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速（sù）度分布（bù） 呈拋物線形;但是（shì），當流體由儲槽（cáo）、大管進（jìn）入導管內時就不屬於穩定流動，流 體各（gè）質點的運動速度在（zài）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，流體在進入導管後須經一（yī）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（bǐ）用式算出（chū）的大。這是（shì）因為聚合物熔體（tǐ）在此區域內（nèi）產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種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（jù）體條件而改變，實驗證明，聚合物（wù）熔體的當量長度一般約為導管半（bàn）徑（jìng）的6倍，在此區域內，料（liào）流已經不受（shòu）導管約束，料流各點速度在此（cǐ）重新（xīn）調整為相等的速度。

另外，在（zài）出口區，假塑性（xìng）流體繼收縮之後由於彈性（xìng）恢（huī）複（fù）又出現膨脹，而（ér）且脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除（chú）上述入口與出口端末效應外，還（hái）有一種現象，即當剪切速率高達一定（dìng）值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速（sù）率越大，流出物越（yuè）粗糙，甚至不能成流，很快斷（duàn）裂，這種現象稱為“熔體破碎”。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製在一定範圍（wéi）內來解（jiě）決。為了分析流體在穩（wěn）定流動時（shí）的速度分布，對於符合指數（shù）函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的（de）流（liú）動狀態分析

注射（shè）成型中的流（liú）動過程（chéng），可（kě）以分（fèn）成三個區段。第I區段是塑（sù）料物料在（zài）注射機內旋（xuán）轉（zhuǎn）螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並（bìng）將塑化好的熔體儲（chǔ）存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料（liào）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（qiāng）內。這一區段的特（tè）點是各段流道長（zhǎng）徑比（bǐ）較大，截麵一般（bān）具有簡單的（de）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不發生物理、化（huà）學（xué）變化（huà）。第（dì）II區段是塑料熔體經（jīng）澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程（chéng）非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱（rè）等方麵的知識。

(一)流體在（zài）流道中的狀態

注射成（chéng）型中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵（miàn）形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分（fèn）流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫（wēn）度場不穩定（dìng）。盡管如此（cǐ），仍（réng）可對其分別加以分析（xī）。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（qiāng）體積將足量的塑料熔體以較快的（de）速度注（zhù）入型腔（qiāng），再配合其他各種條件，效率地（dì）生產出外觀和內部質量均好的（de）注射塑件。根據實踐經驗，由（yóu）於注射機的規格已根據（jù）塑件體（tǐ）積選定，注射速率（lǜ）為已知值（zhí），也（yě）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。也即（jí）求出R 的範（fàn）圍和寬厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的（de）規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值（zhí），也即理想的qv值已（yǐ）確（què）定，因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立（lì）的，而是相互有影響的，改變了某一個參數（shù），其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度（dù）L 當注射壓力保持（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,這就使熔（róng）體流經澆口的阻（zǔ）力減（jiǎn）小，也就使（shǐ）澆（jiāo）口入口與出口之間的（de）壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向（xiàng）前推進（jìn）的速度加快，也（yě）即注射速度加快，所以，縮短澆（jiāo）口（kǒu）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（tí）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（biǎo）觀黏度與剪切速率有關。又短澆口可以不被（bèi）固封，可保持常開。由於以上（shàng）理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷（duàn）麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截（jié）麵增大了，熔（róng）體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這（zhè）是大澆口的上（shàng）限。超過此值時，再增大截麵，由於（yú）表觀黏（nián）度的增（zēng）大，反（fǎn）而使qv值（zhí）減小。所以，澆口斷麵尺寸並（bìng）非越大越好。相反，點澆口之所（suǒ）以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀黏（nián）度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的（de）剪切速率越大（dà），因而表觀（guān）黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng） 采用小澆口意味著斷（duàn）麵很小，即R很小，熔體流經小（xiǎo）澆（jiāo）口時流速（sù）極大，剪切速率相應也極大，表（biǎo）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）處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率（lǜ）提高到極（jí）限值（zhí）時，剪切速率與表觀黏（nián）度失去了依存關係，稱為失去了“剪切速率（lǜ）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（kǒu）的斷麵（miàn）就是點（diǎn）澆口的極限（xiàn）尺寸。對多數塑料來說，點（diǎn）澆（jiāo）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（yīn）為大多數塑（sù）料熔體都屬於（yú）非牛頓（dùn）假塑性（xìng）流體，其表觀黏度與剪切速率的函（hán）數式可用式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不（bú）是線（xiàn）型關係。如果剪切速率再高（gāo），表觀黏度值降低還要（yào）少。所以，東（dōng）莞市馬馳科（kē）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射，這是頗為重（chóng）要（yào）的（de）。一般來說，剪切速率取高值，黏（nián）度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達（dá）到（dào）的。

(4)表觀黏（nián）度 當模（mó）具充不（bú）滿時，除（chú）增大注射量和注射（shè）速度，加大流道係統尺寸以（yǐ）便將流量傳送至澆口外，降（jiàng）低（dī）塑料熔（róng）體（tǐ）的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高（gāo）溫度，然而溫度的升（shēng）高也有一定限製（zhì），不能高於聚合物的降（jiàng）解溫度（dù），而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度（dù）的另（lìng）一種辦（bàn）法是提高剪（jiǎn）切速率，提高剪切速率也要（yào）受（shòu）到聚合物的降解或燒（shāo）焦以及（jí）“熔體破（pò）碎”可能（néng）性的（de）限製。提高剪切速率可借助於小（xiǎo）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

注射成型的第皿區段（duàn）是聚合物熔體經澆口射入模具（jù）型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工（gōng）過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。

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