一、聚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（yù）到聚合物熔（róng）體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係統注入（rù）型腔內;在擠出注塑加工成（chéng）型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流（liú）動過程中的流量與壓力降的關係、切應力（lì）與剪（jiǎn）切（qiē）速（sù）率的關係、物料流速（sù）分布（bù）、端末效應等（děng）都是十分重要的（de），因為這（zhè）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（mó）具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜（zá）性，目（mù）前（qián）隻能對幾種（zhǒng）簡單截麵導管內（nèi）的流動作定量（liàng）的計（jì）算。

(一)在（zài）圓形導管內的流（liú）動

為了研究（jiū）聚合（hé）物熔體在圓形導管（guǎn）內的流動狀況，假設其流體（tǐ）是在（zài）半徑為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩定（dìng）的層流運動，且服從指（zhǐ）數定（dìng）律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流（liú）體層間（jiān）產生摩擦力（lì），於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘（chéng）積必等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積（jī），圓形導管中流動液體受力分析。由此看出，切應力為（wéi）零，逐漸增大（dà）而在管壁處為，據此（cǐ）進一步推導的（de）結果，又可說明流體在圓形導管內的（de）速度分布為什麽呈拋物（wù）線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由（yóu）於其剪切速率隻依賴於所施加（jiā）的切應力，所以（yǐ），可用（yòng）下麵函（hán）數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛（niú）頓黏性定（dìng）律可以（yǐ）看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度（dù）η=ド，故也可得出相應的（de）流速、體積流量及管壁處剪切速（sù）率的（de）計算公式。線（xiàn）幾何形狀相似，隻是沿 軸作（zuò）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（zài）扁形導槽內的流動（dòng）

當塑料熔體在等（děng）溫（wēn）條件下經扁形導（dǎo）槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取（qǔ）一矩形單（dān）元體，其（qí）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（dà）於扁槽（cáo）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（jì）)，根據力（lì）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就成為黏度n.

(三)端末效應（yīng）與速度（dù）分布

如前所述，在推導流體在各種（zhǒng）截麵流道內流動（dòng）的流動方程式時，不論（lùn）牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流（liú）動狀態，切應（yīng）力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁（bì）逐漸減少，而在管壁處為（wéi） 零。對牛頓流體來說，這種（zhǒng）速度分（fèn）布 呈拋物線形;但是（shì），當流體由（yóu）儲槽、大管進（jìn）入導管（guǎn）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，因而其速度分（fèn）布幾乎平坦而成一直（zhí）線（xiàn）。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定（dìng），流體在此段內（nèi）的壓力降（jiàng）總（zǒng）是比用（yòng）式算出的大。這是因為聚合物熔體在（zài）此（cǐ）區域內產生彈性變（biàn）形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾（céng）有人設（shè）想為相當於（yú）一段（duàn）導（dǎo）管所引起的損（sǔn）耗，事實上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構長（zhǎng）度”或“當量長度”。當（dāng）量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明（míng），聚合物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內（nèi），料流已（yǐ）經不受導管約束，料流各點速度在此重新調整為相等（děng）的速度。

另外，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（dǎo）管越（yuè）短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口（kǒu）與出口（kǒu）端末效應外，還有（yǒu）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，流出物越粗糙，甚至（zhì）不能成流，很快斷裂，這種現象稱為（wéi）“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內來（lái）解決（jué）。為了（le）分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符合指（zhǐ）數函數方程式的非牛頓（dùn）流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流（liú）動狀態分析

注射（shè）成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進（jìn）行（háng）輸送、壓（yā）縮、熔（róng）融塑化，並將塑（sù）化好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒端部（bù）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。這一區段的特點是（shì）各段流道長徑比（bǐ）較大（dà），截麵一般具有（yǒu）簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段（duàn）流（liú）體基（jī）本上不發生物理、化學變化。第（dì）II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中的流（liú）動（dòng）、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相（xiàng）遷移理論（lùn）、不穩定導熱等方麵（miàn）的知識。

(一（yī）)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要（yào）經過多種截麵形狀的流道，這裏（lǐ）阻力變（biàn）化複雜，壓力損失大，且模具中（zhōng）的主流道、分流道和（hé）澆口的溫度隨時間而變（biàn）化，溫度場不穩定。盡管（guǎn）如此（cǐ），仍可對其分（fèn）別加以分析。這裏，重（chóng）要（yào）的是對塑料熔體流經澆口時（shí）狀態（tài）的分析。

注射成型的基（jī）本要求（qiú）是根據型腔體（tǐ）積將足量的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件（jiàn），效率地生產（chǎn）出外觀和內部質量均好的注射（shè）塑件。根據實踐經驗，由於（yú）注射機的規格已根據塑件體積選定，注射（shè）速率為（wéi）已知值，也即理想的qv值已（yǐ）確（què）定，因此，根據表觀剪（jiǎn）切速率範圍即澆口可（kě）求（qiú）出澆口截麵尺寸的範圍（wéi）。也即求出R 的（de）範（fàn）圍和寬（kuān）厚積Wh的範圍。由於（yú）注射機的（de）規格已根據塑件體積選定，注射速率為（wéi）已知值，也即（jí）理想的qv值已確定，因此，根據表觀（guān）剪切速（sù）率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是（shì）它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變（biàn）了某一個參數，其（qí）他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆（jiāo）口長度L 當注（zhù）射壓力保持恒定時，則澆口入口處的（de）壓力p1,保持不變，如（rú）果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與（yǔ）出口之間的壓力降減（jiǎn）小，熔體在澆口中（zhōng）的流速增大，這就增大了（le）q,值（zhí）。反映到注射（shè）螺杆上，螺（luó）杆向（xiàng）前推進的速度加快，也（yě）即注射速度加（jiā）快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射（shè）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，熔體的表觀（guān）黏度也相應降低，這（zhè）是由於非（fēi）牛頓流體（tǐ）的表（biǎo）觀黏度與（yǔ）剪（jiǎn）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（jiāo）口長度L時，總是取（qǔ）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（shì），澆口截麵增大了，熔體在澆口中的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增（zēng）大有個極（jí）限值，這是大澆（jiāo）口（kǒu）的上限。超過此值時，再增大截麵（miàn），由（yóu）於表（biǎo）觀黏（nián）度的增大，反而使qv值減（jiǎn）小。所以，澆口（kǒu）斷麵尺寸並非越（yuè）大越好。相反，點澆（jiāo）口之所以成（chéng）功，是因為絕大多數塑料（liào）熔體的表（biǎo）觀（guān）黏（nián）度是剪切速率的函數，熔體流速越快（kuài），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（shè）。東莞（wǎn）市馬馳科注塑加工廠 采（cǎi）用小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即（jí）R很（hěn）小，熔體流經小澆口時（shí）流速（sù）極大，剪（jiǎn）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，部分轉變為熱能，遂提（tí）高了（le）澆口處（chù）的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏（nián）度。但是，當剪切速（sù）率提（tí）高到極限（xiàn）值時，剪切速（sù）率與表觀黏度失去了依存關係，稱（chēng）為（wéi）失去了“剪切速率效應”。超過此極限（xiàn）值時，剪切（qiē）速率再增（zēng）加（jiā），表觀（guān）黏度不再降低。此時澆（jiāo）口的斷麵就是點（diǎn）澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口（kǒu）的直徑不大於 1.5mm,對較黏的（de）塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大（dà）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函數式可用式表示。即n.與y是指數函數關（guān）係，不是線型關係。如果剪切速（sù）率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠（chǎng）要（yào）在曲線上選擇一段剪切速（sù）率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為重要的。一般來說，剪切速率取高（gāo）值（zhí），黏度影響小。而且（qiě）盡可能高，這（zhè）是大（dà）尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表（biǎo）觀黏度 當模（mó）具（jù）充不滿時，除增大注射量和注射速度，加（jiā）大流道係統（tǒng）尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀（guān）黏（nián）度（dù）也是一個有效的辦法（fǎ）。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升（shēng）高也有一定限製（zhì），不能高於聚合物的（de）降解溫度，而（ér）且溫度（dù）提高將會增加（jiā）塑件在模內（nèi）的冷卻時間。降低黏（nián）度的另（lìng）一種辦法是提高剪切速率，提高（gāo）剪（jiǎn）切速率也要受到聚合物的降解或（huò）燒焦（jiāo）以及“熔體破碎”可（kě）能性的限製。提高剪切（qiē）速率可借（jiè）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（guò）程中（zhōng）的狀態

注射成型的第皿區段是聚合（hé）物熔體經澆口射入模（mó）具型腔的過程，即充模過程。這是一個（gè）複（fù）雜的過程，一般為（wéi）非（fēi）等溫（wēn）流動（dòng）。由於這（zhè）一注塑加工（gōng）過程的分析過（guò）於複雜，在這裏不作進一（yī）步的闡述。

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