一（yī）、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在（zài）塑料注塑加工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾（jǐ）何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中（zhōng），熔體被柱塞推動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係統注（zhù）入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流（liú）動過程中的流（liú）量（liàng）與壓力降的關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速（sù）分布、端末效應等都是十分重要的，因為這（zhè）對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量（liàng）、設計成型設備和模具都有（yǒu）直接關係。由於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（guǎn）內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚（jù）合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假（jiǎ）設其流體是在（zài）半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層流運（yùn）動，且服從指數定律。取距（jù）離 T 為r處的（de）流體圓柱體單元，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右（yòu）移（yí）動時，在流體層間產生摩（mó）擦力，於是，其（qí）中壓（yā）力降（jiàng）Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體層間接觸麵積（jī）的乘積，圓形導（dǎo）管中流動液體（tǐ）受力分析。由此（cǐ）看出，切應力為零，逐漸增大（dà）而在管壁處為（wéi），據此進一步推導的結果，又可說明流（liú）體在圓形（xíng）導管內的（de）速度（dù）分（fèn）布為什麽呈拋物線形（xíng）。

對於牛（niú）頓流體或非牛頓黏性流（liú）體，由於其剪（jiǎn）切速率隻依賴於所施加的切應力，所（suǒ）以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體（tǐ），由於牛頓黏性定律（lǜ）可以看為指數方程（chéng）式r=Ky”中n=1時的（de）特例，此時牛頓（dùn）黏（nián）度η=ド，故也可（kě）得出相應的流速（sù）、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速率的（de）計算（suàn）公式。線幾何形狀相（xiàng）似，隻是沿（yán） 軸作上下平（píng）行移動而已（yǐ），因而K'和n可相應視作另一個稠度和流動行為指（zhǐ）數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流（liú）動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形（xíng）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（dù）取1個單位長度，長度為L.假（jiǎ）定扁槽上下（xià）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（biǎn）槽（cáo）兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據力的平（píng）衡，得也（yě）就成為牛頓流（liú）體的流動行為，即（jí）為牛頓黏性（xìng）定律方程式，此處K就（jiù）成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導流體在各種截麵（miàn）流道內流動的流動方程式時，不論（lùn）牛頓流體或非牛頓流體（tǐ），都假定流動屬穩（wěn）定流（liú）動狀態，切應力為零，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（líng），向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零（líng）。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由（yóu）儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩定流（liú）動，流 體各質點（diǎn）的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近（jìn）管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流（liú）體在（zài）進入導管後須經一定距離（lí），穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力（lì）降總是比用式算出的大。這（zhè）是因為聚合物熔（róng）體在此區域內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（yī）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（wéi）“虛（xū）構長度”或“當量長度”。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（zhǎng）度一般約（yuē）為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束（shù），料流各點速度在此重新（xīn）調整為相等的速度（dù）。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又（yòu）出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹（zhàng）越嚴重，可達一（yī）倍（bèi）之（zhī）多。除上述入（rù）口與出口端末效應（yīng）外，還有一種現象，即（jí）當剪切（qiē）速率（lǜ）高達一定值時（shí），流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大（dà），流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。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（nèi）來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓（dùn）流體和牛頓流體。

二、注射成型中（zhōng）的（de）流動狀態（tài）分析

注射成型中的（de）流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物料（liào）在注射機內旋轉（zhuǎn）螺杆與料（liào）筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑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（shòu）螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道（dào）和澆口，開始射入（rù）型腔內。這一區段的特（tè）點是各段（duàn）流道長徑比較大，截麵一般具有簡單（dān）的幾何形狀（zhuàng）。注（zhù）射過程中塑料（liào）熔體流動（dòng）的三個區段流體基本上不（bú）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動、相變（biàn）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、相遷移（yí）理論、不穩（wěn）定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注（zhù）射成型中，流體在第II區段的流動（dòng）要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的（de）主流道、分流道和澆口的溫（wēn）度隨時間而變化，溫（wēn）度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的（de）是對塑料熔體流經澆口時狀態的分析（xī）。

注射成（chéng）型的基本要求是根據型腔（qiāng）體積將足（zú）量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據（jù）實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為已知（zhī）值，也即理想的qv值已確定（dìng），因此，根（gēn）據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範（fàn）圍。也即求（qiú）出R 的範圍和寬厚積Wh的範（fàn）圍。由於注射（shè）機的規格已根據塑件體（tǐ）積選定，注射速率為已知值（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（wéi）。但是它們（men）之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某一個參數（shù），其他參數也隨（suí）之而變。下（xià）麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入（rù）口（kǒu）處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使（shǐ）熔（róng）體流經澆口的阻力減小，也就（jiù）使澆口入口與出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流（liú）速增大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進（jìn）的速度加（jiā）快，也即注射速度加（jiā）快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆（jiāo）口斷麵（miàn）的情況下，就能（néng）提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流（liú）速提高，也即（jí）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（lǜ）有關。又短澆口可以不被固（gù）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（kǒu）斷麵尺寸 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，澆口截麵增大了，熔體在澆（jiāo）口中的流速（sù）減慢，熔體的表觀黏度（dù）相應增（zēng）高。所（suǒ）以（yǐ），澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口（kǒu）的上（shàng）限。超過此（cǐ）值時，再增大截麵，由（yóu）於表（biǎo）觀黏度的增大，反而（ér）使qv值減小。所以，澆口（kǒu）斷麵（miàn）尺寸並非越大（dà）越好。相反，點（diǎn）澆口之所以成功（gōng），是因為絕大多數塑（sù）料熔體（tǐ）的表觀黏（nián）度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率越大（dà），因（yīn）而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷（duàn）麵很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速（sù）率相應也（yě）極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆（jiāo）口，部分轉變為熱能（néng），遂提（tí）高了澆口處的局部溫度，也有利（lì）於降低熔（róng）體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪（jiǎn）切（qiē）速率與表（biǎo）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，表觀（guān）黏度不再降低。此時（shí）澆口的斷麵就是點澆口的極限（xiàn）尺寸。對多（duō）數塑料來說，點澆口的直徑（jìng）不大（dà）於 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塑（sù）性流體，其表觀黏度與（yǔ）剪（jiǎn）切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（lǜ）再高，表觀（guān）黏度值降低還要少。所（suǒ）以，東（dōng）莞市馬馳科注塑加工廠要（yào）在曲線上選擇一（yī）段剪切（qiē）速率，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（lǜ）取高（gāo）值（zhí），黏度影響（xiǎng）小（xiǎo）。而且盡可（kě）能高，這是大尺（chǐ）寸澆口（kǒu）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，加大流道係統尺寸（cùn）以便將流量傳送至澆口（kǒu）外（wài），降（jiàng）低塑料熔（róng）體的表（biǎo）觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦（bàn）法是升高溫度，然而溫度的升（shēng）高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且（qiě）溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的另（lìng）一種辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪切速率也要受到聚合物的降解或（huò）燒焦以及“熔體破（pò）碎”可（kě）能性的限製。提高剪切速率可借（jiè）助於小澆（jiāo）口尺（chǐ）寸或（huò）增大注射壓力，也即增大切應力或兩者（zhě）兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是（shì）聚（jù）合物熔體經澆口射入（rù）模具型腔的（de）過（guò）程，即充模（mó）過程。這是一個複雜的過程（chéng），一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程的分（fèn）析過於複雜，在這裏不（bú）作進一步的闡述。