一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動

在塑料注（zhù）塑加工成型過程中，經常會遇到（dào）聚合物熔體在各種幾何形狀導管（guǎn）內流動（dòng）的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注（zhù）係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型（xíng）中，熔體被螺杆擠（jǐ）進各種口模。研（yán）究（jiū）熔體在流（liú）動（dòng）過程中的流量與壓力降（jiàng）的關係、切應力與剪切速率的關係、物料（liào）流速分布（bù）、端（duān）末效應等（děng）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（hé）質量、設計成型設（shè）備和（hé）模具都（dōu）有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前（qián）隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究（jiū）聚合物熔體在（zài）圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為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（qí）長度為L,當它（tā） ≈ 由左向右移動（dòng）時（shí），在流（liú）體層間產（chǎn）生摩擦力，於（yú）是，其中壓（yā）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乘積，圓形導管中流動液體受力分析（xī）。由此看出，切（qiē）應力為零（líng），逐漸增大而在（zài）管壁處為（wéi），據此進一步推導的結果，又可（kě）說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體（tǐ）或非牛頓黏性流體，由於其剪切速率隻依（yī）賴於所施加的切應（yīng）力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體（tǐ），由於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此（cǐ）時牛頓黏（nián）度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速（sù）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（biǎo）觀流動行為指數（shù）。

(二)在（zài）扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形（xíng）導（dǎo）槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度（dù）為（wéi）2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上（shàng）下兩麵為無（wú）限（xiàn）寬平行麵(扁槽寬度（dù）W應大於扁槽上下 平行麵距（jù）離2B的20倍，此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（xìng）定律（lǜ）方程式，此處K就（jiù）成為黏度n.

(三)端末效應與速度分（fèn）布

如前所述，在（zài）推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程（chéng）式時，不論牛頓流體或（huò）非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因（yīn）而，流（liú）體（tǐ）在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 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（yóu）儲槽、大管進入導管內時就不（bú）屬於（yú）穩定流（liú）動，流 體各（gè）質點的運動（dòng）速（sù）度在大小（xiǎo）和方向上都隨時發生變化，因而（ér）其速度分布幾（jǐ）乎（hū）平坦（tǎn）而（ér）成一直線。隻有貼近管（guǎn）壁極薄一層液層處（chù），其速度驟降，至管壁處為（wéi）零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實（shí）驗測定，流（liú）體在此段（duàn）內的壓力降（jiàng）總是比用式算出的大。這（zhè）是因（yīn）為聚（jù）合物（wù）熔體在此區域內產（chǎn）生（shēng）彈性變形和速度調整消耗一部分的（de）結（jié）果。

這種入口損耗曾（céng）有（yǒu）人設（shè）想為相當於一段導（dǎo）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變，實驗證明，聚合物熔體的當量長度一般約（yuē）為導（dǎo）管半徑的6倍，在此區域內，料流已（yǐ）經不受導管約束，料流各點（diǎn）速度在此重（chóng）新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後（hòu）由於彈（dàn）性恢複（fù）又（yòu）出現（xiàn）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（kě）達（dá）一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，即當剪切（qiē）速率高達一定值（zhí）時，流出（chū）物表麵呈（chéng）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“熔體破碎”。在（zài）擠出注塑加工成（chéng）型中（zhōng）往往采用改（gǎi）進成型口模和將流（liú）量控製在一定範圍內來解決。為了分析（xī）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（zhù）射成型中的流（liú）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（nèi）旋轉螺杆與料筒（tǒng）之間（jiān）進行輸送（sòng）、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的熔（róng）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熔體受螺杆（gǎn）的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道（dào）、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的（de）特點是各段流道長徑比較大，截（jié）麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上（shàng）不發生（shēng）物理、化學變化。第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（yī）區段（duàn）完全在模具內完成（chéng），過程非常複雜，涉及三（sān）維流動、相遷移理論、不（bú）穩定導熱等方（fāng）麵的知識。

(一)流（liú）體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區（qū）段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這（zhè）裏阻力變化（huà）複雜，壓力損失大，且模（mó）具中的主流道（dào）、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（cǐ），仍（réng）可對其分別（bié）加（jiā）以分析。這裏（lǐ），重（chóng）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（běn）要求（qiú）是根據型腔體積將足量的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型腔，再配合其他各種條件，效率地生產（chǎn）出外觀和（hé）內部質量均好的注射塑件。根據實踐經（jīng）驗，由於注射機的規格已根據（jù）塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理想的qv值已確定，因（yīn）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（sù）件體積選（xuǎn）定，注射（shè）速率為已知（zhī）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（jié）麵尺寸的範（fàn）圍。但是它們之間不（bú）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。下麵分別進行分（fèn）析。

(1)澆口長度L 當注射（shè）壓力保持恒定時，則澆口入口處（chù）的壓（yā）力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減（jiǎn）小，也（yě）就使澆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（zēng）大了q,值。反映到（dào）注射螺杆（gǎn）上，螺（luó）杆向前推進的速度加快，也即注射速（sù）度加快，所以，縮短澆口（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（shí），由於熔體在澆口中的流速（sù）提（tí）高，也即注射（shè）速度（dù）提高，熔體的表觀黏度（dù）也相應降低，這是由於非牛頓流體（tǐ）的（de）表觀黏度與剪切速率有（yǒu）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（qǔ）值。

(2)澆口斷麵尺寸 增（zēng）大澆口斷麵有利於qv值的增（zēng）大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是，澆口截麵（miàn）增大了，熔體在澆口中的流速（sù）減慢，熔（róng）體的表（biǎo）觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的（de）增大有個極限值，這是大澆（jiāo）口的（de）上限。超過此值時，再增大截麵，由於表觀黏度（dù）的增大（dà），反而使qv值減小（xiǎo）。所以，澆口（kǒu）斷麵（miàn）尺寸並非越（yuè）大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大（dà）多數（shù）塑料熔（róng）體的表觀黏度是剪切速率（lǜ）的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速率（lǜ）越大，因而表觀黏度越（yuè）小，越容易注射。東莞市（shì）馬馳科注塑加工廠 采用小澆口（kǒu）意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時流（liú）速極大，剪（jiǎn）切（qiē）速率相應也極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度（dù），也有利於降（jiàng）低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀（guān）黏度失去了依存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪（jiǎn）切（qiē）速率再增加，表觀黏（nián）度不再降低。此（cǐ）時澆口（kǒu）的斷麵就（jiù）是點澆（jiāo）口的極限（xiàn）尺寸。對多數塑料（liào）來（lái）說（shuō），點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏（nián）的塑料。

(3)選擇合理的（de）剪切速（sù）率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓（dùn）假塑性流體，其表觀黏度與（yǔ）剪切速率的函數式可用式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不（bú）是線型關係。如果剪切速率再高（gāo），表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注塑加工廠要在曲線上選（xuǎn）擇一段剪切速率，使它對黏度的影（yǐng）響（xiǎng）有利於注射，這是頗（pō）為重（chóng）要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是大尺寸澆口（kǒu）的模具所難以達到的。

(4)表觀黏（nián）度 當模（mó）具充不滿時（shí），除增大注射量和注射速度，加大（dà）流道係統尺寸以便將流（liú）量傳送至澆口外，降低塑料熔（róng）體的（de）表觀黏度也是一個有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦法是升（shēng）高溫度，然而溫度的升高也有一定（dìng）限製，不能高於聚合物的（de）降解（jiě）溫度，而且溫度提高（gāo）將會增加塑件（jiàn）在（zài）模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是提（tí）高剪切速率，提高剪切速率也要（yào）受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎（suì）”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或（huò）增大注射壓力，也即（jí）增大切應（yīng）力或兩者兼備。

(二)流體在充模過（guò）程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚（jù）合物熔體經澆口射入模具型腔的過程，即充模（mó）過程。這是一個（gè）複雜的過（guò）程，一般為非等溫流動（dòng）。由（yóu）於這一注塑（sù）加工過程的分析過於複雜，在這裏不（bú）作進一（yī）步的闡述。