一、聚合物熔體在簡單截（jié）麵導管內的流動

在塑料注（zhù）塑加工成型（xíng）過程中，經常會遇到（dào）聚合（hé）物熔（róng）體（tǐ）在各種幾何形狀（zhuàng）導（dǎo）管內流（liú）動的情況。如在注射（shè）過程中，熔體被柱塞推（tuī）動前進，從噴嘴經澆注係統注入型（xíng）腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究（jiū）熔體在流動過程中的流量與（yǔ）壓力降的關係、切應力與剪切速（sù）率的（de）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藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓流體（tǐ）流變行為的複雜性，目前隻能對幾種（zhǒng）簡單（dān）截麵導管內的流動作（zuò）定量的計算。

(一)在圓形（xíng）導管（guǎn）內的流動

為了研究（jiū）聚合物熔體在圓形導管（guǎn）內的流動狀況，假設其流體是在（zài）半徑為R的圓形導管內作等溫穩（wěn）定的層流運（yùn）動，且服從指數定律。取距（jù）離（lí） T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為（wéi）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與流體層間接（jiē）觸麵積的乘積（jī），圓形導管中流（liú）動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而（ér）在管壁處為，據此（cǐ）進一步（bù）推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什（shí）麽（me）呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪（jiǎn）切速率隻依賴於所施加的切應（yīng）力，所以（yǐ），可（kě）用下麵函數關係來表示，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時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也（yě）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（jǐ）何形狀相似，隻是沿 軸作上下（xià）平行移動而已，因而K'和n可相應視作另（lìng）一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀（guān）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元（yuán）體，其厚度為2y,寬度取1個單位（wèi）長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵（miàn）為無限寬平行（háng）麵(扁槽寬度W應大於扁槽（cáo）上下 平行麵距離2B的20倍，此（cǐ）時扁槽兩側壁對流速 的（de）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式，此處K就（jiù）成為黏（nián）度n.

(三)端末效應與速度分布（bù）

如（rú）前所述，在推導流體在各種（zhǒng）截麵流道內流動（dòng）的（de）流動方程式時，不（bú）論（lùn）牛頓流體或非牛（niú）頓流體，都假定流（liú）動（dòng）屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁（bì）逐漸增大，而在管壁處（chù）為。因而，流（liú）體在導管（guǎn）內的速度分布（bù）為零，向（xiàng）管壁逐漸減少（shǎo），而在管壁（bì）處（chù）為 零。對牛（niú）頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩（wěn）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（bù）幾（jǐ）乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁（bì）極（jí）薄一（yī）層液層處，其速度驟降，至管壁（bì）處為零，流體在進入（rù）導管後須經一定距離，穩定狀（zhuàng）態方能（néng）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（yīn）為聚合物熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的（de）結果（guǒ）。

這（zhè）種入口損（sǔn）耗曾（céng）有人設想為相（xiàng）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而改（gǎi）變，實驗證（zhèng）明，聚合物熔體的（de）當量長度一（yī）般約為導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束（shù），料流各點速度在此（cǐ）重新調整（zhěng）為相等的速度。

另外（wài），在出口區，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還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨（péng）脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外（wài），還有一（yī）種（zhǒng）現象，即當剪切速率高達一定值（zhí）時，流出物表麵（miàn）呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚（shèn）至不能成（chéng）流，很快斷裂（liè），這種現（xiàn）象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往（wǎng）采用改進成（chéng）型口模和將（jiāng）流量控製在一（yī）定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度（dù）分布，對於符合指數函數方（fāng）程式的非牛頓流體和牛頓流體。

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（duàn）是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔（róng）融（róng）塑化，並將塑化好的熔體儲存在（zài）料筒的端（duān）部。第II區段是儲存在（zài）料筒端（duān）部的塑料熔體受螺杆的（de）向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆（jiāo）口（kǒu），開始射入（rù）型腔內。這一區段的特點（diǎn）是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何（hé）形狀。注射過程中塑料（liào）熔體流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程（chéng）中（zhōng）的流動、相變及固化。這一區段完（wán）全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三（sān）維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識（shí）。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體（tǐ）在第II區段的（de）流動（dòng）要經過多種（zhǒng）截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力（lì）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，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時（shí）狀態的分析。

注射成型的（de）基本要求是根據型腔體積將（jiāng）足量的塑料熔體以較快（kuài）的速度注入（rù）型腔，再配（pèi）合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件（jiàn）。根據實踐經驗（yàn），由於注射機的規格已（yǐ）根據（jù）塑件體積（jī）選定，注射速率為已知值，也即理（lǐ）想的qv值已確（què）定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口（kǒu）可求出澆口截（jié）麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積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（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截麵（miàn）尺寸（cùn）的範圍。但是它們之（zhī）間不是（shì）孤立的（de），而是相互有影響的，改變（biàn）了（le）某一個參數，其他參數也隨之而變。下（xià）麵分別進（jìn）行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓（yā）力保持恒（héng）定時，則澆（jiāo）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（kǒu）的阻力減小，也就使澆（jiāo）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。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度（dù）加快，也即注（zhù）射速度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷（duàn）麵的情況下，就能提高（gāo）注射（shè）速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也（yě）即注（zhù）射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛（niú）頓流體的（de）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。由於以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷（duàn）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。但是，澆口（kǒu）截麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所（suǒ）以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值，這是大澆（jiāo）口的上限。超過此值時，再（zài）增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使（shǐ）qv值減小。所以，澆口斷麵（miàn）尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是（shì）因（yīn）為絕（jué）大多數塑（sù）料熔體的表觀（guān）黏度（dù）是剪切速率的函數，熔（róng）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（zhù）射。東莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠 采用小澆口意味著（zhe）斷麵很小，即R很小，熔體流經（jīng）小澆口時流速極大（dà），剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由（yóu）於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱（rè）能，遂提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值（zhí）時，剪切速率與表觀黏度失去（qù）了依（yī）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，表觀黏度不再降低。此時澆口（kǒu）的斷（duàn）麵就是（shì）點（diǎn）澆口的極限尺寸。對多（duō）數塑料來說，點澆口（kǒu）的直徑不大於 1.5mm,對較（jiào）黏的塑料（liào）。

(3)選擇合理的剪切速率 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（qiē）速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高（gāo），表（biǎo）觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑（sù）加工（gōng）廠要在曲（qǔ）線（xiàn）上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影（yǐng）響有利於注射，這是頗為重（chóng）要的。一般來說，剪切速率（lǜ）取高（gāo）值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充（chōng）不滿時，除增（zēng）大注（zhù）射量（liàng）和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送（sòng）至（zhì）澆口外，降低塑料熔（róng）體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溫度，然而溫度的升高也有一定限（xiàn）製，不能（néng）高於聚（jù）合物的降解溫度（dù），而（ér）且溫（wēn）度（dù）提（tí）高將會增加塑件（jiàn）在模內的冷卻時（shí）間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率（lǜ），提高剪切速率（lǜ）也要受（shòu）到聚合物的降解（jiě）或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注（zhù）射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在（zài）充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔（róng）體經澆（jiāo）口（kǒu）射入模具型腔的過程（chéng），即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非（fēi）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（bú）作進一步的闡述。

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