一、聚（jù）合物熔體在簡單截麵導管（guǎn）內的（de）流動

在塑料注塑加工成（chéng）型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導（dǎo）管內流動的（de）情況。如在注（zhù）射（shè）過程中，熔體被柱塞推動前進，從（cóng）噴嘴經澆注係（xì）統注入（rù）型腔內;在擠出注塑（sù）加工（gōng）成型中，熔體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（jiǎn）切速率（lǜ）的關係、物料流速分布、端末（mò）效應等（děng）都是十分重要的，因為（wéi）這對控製成型（xíng）注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設（shè）備和模具都有直接關係。由於非牛頓（dùn）流體流變行為的複雜性（xìng），目前隻（zhī）能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量（liàng）的計算。

(一)在（zài）圓形導管（guǎn）內的流動

為了研（yán）究聚合物熔體在圓形（xíng）導管內的（de）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（miàn）的乘積必等（děng）於切應力т與流體層間接觸麵積的（de）乘積，圓（yuán）形導（dǎo）管中流動（dòng）液體受力分析（xī）。由此看出，切應力為（wéi）零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結（jié）果，又可說明流體在圓形導（dǎo）管內的速度分布為什麽（me）呈拋物線形。

對於（yú）牛頓流（liú）體或（huò）非牛（niú）頓黏性流體，由於其剪切速率隻依賴於所施加（jiā）的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於（yú）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（niú）頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體（tǐ）積流（liú）量及管壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而（ér）K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指（zhǐ）數，也稱表觀（guān）稠度與表觀流動行為指（zhǐ）數。

(二)在扁形導槽內（nèi）的流（liú）動

當塑料（liào）熔體在等溫條件下經（jīng）扁形導槽作穩定層流運動時（shí）。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度（dù），長度為L.假定扁槽上（shàng）下兩麵為無限寬平行麵（miàn）(扁槽寬度W應大於扁（biǎn）槽上下 平行麵距離2B的20倍（bèi），此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可（kě）忽略（luè）不計)，根據力的平衡，得也（yě）就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律（lǜ）方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度（dù）分布

如前所述，在推導流體在各種截麵流道內（nèi）流動的流動方程式（shì）時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假（jiǎ）定流動屬穩（wěn）定流動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處（chù）為。因而，流（liú）體在導管（guǎn）內的速度分（fèn）布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為（wéi） 零。對牛頓流體來說，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（biàn）化，因而其速度分布幾乎平坦而（ér）成一直線。隻有貼近管壁極薄（báo）一層液層處，其速（sù）度驟（zhòu）降，至管壁處（chù）為零，流（liú）體在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定（dìng）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（shì）算出的大。這是（shì）因為聚合物熔體在此（cǐ）區域內產生彈性（xìng）變形和速度調整（zhěng）消耗一部分的結果。

這（zhè）種入口損耗曾有人設想為相（xiàng）當於一段導管所（suǒ）引起的損耗，事實上這一段導管（guǎn）長度並不（bú）存在，因而稱為“虛（xū）構長度”或“當量長度（dù）”。當量長度的長短隨具體條件而改變，實驗證明，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（yù）內，料流（liú）已經不（bú）受導管約束，料流各點速度在此重新調整（zhěng）為相等的速（sù）度（dù）。

另外，在出口（kǒu）區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又（yòu）出現膨脹，而且脹（zhàng）至比導管（guǎn）直徑還要大。當流出速度恒（héng）定時，導管越短，膨（péng）脹越（yuè）嚴重，可達一倍（bèi）之（zhī）多。除上述入口與出口端（duān）末效應外，還（hái）有一種現象，即當（dāng）剪（jiǎn）切速率高達一定值（zhí）時，流出物表（biǎo）麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物（wù）越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破（pò）碎”。在擠出注塑加工成型中往（wǎng）往采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍內來解（jiě）決。為了（le）分析流體在穩定流動時的（de）速（sù）度（dù）分布，對於符合指數（shù）函數方程式（shì）的非牛頓流體和牛頓流體（tǐ）。

二、注射成型中的（de）流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可以分成三（sān）個區段。第（dì）I區段是塑料物（wù）料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔（róng）融塑化，並將塑化好的熔體儲（chǔ）存在料筒的端部。第II區段（duàn）是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主（zhǔ）流道、分流（liú）道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點（diǎn）是各段流道（dào）長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段（duàn）流體基本（běn）上不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體（tǐ）經（jīng）澆口射入型（xíng）腔過程中的流動、相變及固化。這一（yī）區段完全在（zài）模具內完成，過程非常（cháng）複（fù）雜，涉及三維流動、相（xiàng）遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損（sǔn）失大，且模具中的主（zhǔ）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（duì）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（qiāng）體積將足量的塑料熔體以較快的速度注入（rù）型腔，再配合其他（tā）各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由（yóu）於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想（xiǎng）的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆（jiāo）口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也（yě）即求（qiú）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（xuǎn）定，注射速率為已知值，也即理想（xiǎng）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。但是它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行（háng）分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒（héng）定時，則澆口入口處的壓力p1,保（bǎo）持不變，如果改短澆口長度L,這（zhè）就（jiù）使熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出口（kǒu）之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增（zēng）大，這就增大了q,值。反（fǎn）映到注（zhù）射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即（jí）注（zhù）射速度加快，所以，縮短（duǎn）澆口（kǒu）長度，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（jiāo）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（yú）非（fēi）牛頓流體的表（biǎo）觀黏度與（yǔ）剪切速率有關。又（yòu）短澆口可以不被固封，可保持常開。由於以上理（lǐ）由，設計澆口（kǒu）長度L時，總（zǒng）是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流速減慢，熔體（tǐ）的表觀（guān）黏度相應增高（gāo）。所以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大（dà）截麵，由於表（biǎo）觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆（jiāo）口斷麵尺寸並非越大越好（hǎo）。相反，點澆口之所以成功，是因為（wéi）絕大多數塑料（liào）熔體的表觀黏度是（shì）剪切速率的（de）函（hán）數，熔體流速越快，即qv越大（dà），它的剪切速（sù）率越大（dà），因而表觀（guān）黏度越小，越容（róng）易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時（shí）流速極大，剪切速率相應也極大，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（néng），遂提高了澆口處的局（jú）部溫度，也有利於降（jiàng）低熔體的表觀黏度。但（dàn）是，當剪切速（sù）率提高到極限值時（shí），剪切速率與表觀（guān）黏度失去了依存關係，稱為失去了（le）“剪（jiǎn）切速率（lǜ）效應”。超過此（cǐ）極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的（de）斷麵就是點澆口（kǒu）的極限（xiàn）尺寸。對多（duō）數塑料來說，點澆口的直徑不大於（yú） 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合（hé）理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假（jiǎ）塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的（de）函數式（shì）可（kě）用式表示。即n.與y是指數（shù）函數關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀黏（nián）度值降低還要少（shǎo）。所以（yǐ），東莞市馬馳科注塑加工廠要（yào）在曲線上（shàng）選擇一段剪切速率，使它對黏（nián）度的影響有利於注射（shè），這是頗為重要的。一（yī）般來說，剪切速率取高值，黏度影響小（xiǎo）。而且盡可能高（gāo），這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速度（dù），加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一（yī）個有效的辦法。降低黏度的一（yī）種（zhǒng）辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不（bú）能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增（zēng）加塑件在模內的冷卻（què）時間。降低黏度（dù）的（de）另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚（jù）合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可（kě）能性的（de）限製。提高剪切速率可借助於小澆口（kǒu）尺寸或增大注射壓力，也即（jí）增（zēng）大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程（chéng）中的狀態（tài）

注射成型的第皿區段是聚合物（wù）熔（róng）體經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是（shì）一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程（chéng）的分析過於複雜，在這裏不（bú）作進一步的闡述。