一、聚合物熔體（tǐ）在簡單截麵（miàn）導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚（jù）合物熔體在各種幾何（hé）形狀導管（guǎn）內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推（tuī）動前進，從噴嘴經澆注係（xì）統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中（zhōng），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（liàng）與壓力降的（de）關係、切應力與剪（jiǎn）切速率的關係、物料流速分布、端末效應等都是十分重（chóng）要的，因為這對控製成（chéng）型注塑（sù）加工工藝、塑件產量和質（zhì）量、設計（jì）成型設備和模具都有直接關係。由（yóu）於非牛（niú）頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對（duì）幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形（xíng）導（dǎo）管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑（jìng）為R的圓形導管內作（zuò）等（děng）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（wéi）L,當（dāng）它 ≈ 由左向右（yòu）移動時，在流體層間產生摩擦力，於是（shì），其中壓力降Δp與圓柱（zhù）體（tǐ）截麵的乘（chéng）積必等（děng）於切應（yīng）力（lì）т與流體（tǐ）層間接觸麵積（jī）的乘積，圓形導管中流（liú）動液體受力（lì）分析。由此看出，切應力（lì）為零，逐漸（jiàn）增大而在管壁處（chù）為，據此進一步推導的結果，又可說明流體（tǐ）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）賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於（yú）牛頓流（liú）體，由於牛頓黏性定律可（kě）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，故也可得出相應的（de）流速、體積流量及（jí）管壁處剪切速率的計（jì）算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移（yí）動而已，因而K'和n可相應視作（zuò）另（lìng）一個稠度和流動行為指數，也稱（chēng）表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動（dòng）

當塑料熔體在等溫條件下經扁（biǎn）形導槽作穩定層流運動時。在扁形導（dǎo）槽內取一矩形單元體，其厚度（dù）為2y,寬度取（qǔ）1個單位長度（dù），長度為L.假（jiǎ）定扁槽上下兩麵為無限寬（kuān）平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平（píng）行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩（liǎng）側（cè）壁對流速 的減緩作（zuò）用可忽略不計)，根據力的平衡，得也（yě）就成（chéng）為牛頓流（liú）體的（de）流動（dòng）行為，即為牛頓（dùn）黏性定律方程式（shì），此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如（rú）前所述，在（zài）推導流體在各種截麵流道內（nèi）流動的流動方程式時，不（bú）論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩（wěn）定流動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因而，流體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（pāo）物線形;但是，當流體由儲槽、大管進（jìn）入導管內時就不屬於穩定流動（dòng），流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時（shí）發生變化，因（yīn）而（ér）其速度（dù）分布幾乎平坦而成一直線。隻（zhī）有貼近管壁極（jí）薄（báo）一層液（yè）層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入導管後須（xū）經一定距離，穩定狀態方能（néng）形成，實驗測定，流體在（zài）此段內的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域內（nèi）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段（duàn）導管所引起的損耗（hào），事實上這一段導管長度（dù）並（bìng）不存在，因而（ér）稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而（ér）改變，實驗證明，聚合物熔體的（de）當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域（yù）內，料流已經不受導管約束，料流各點速度（dù）在此重（chóng）新調整為相等的速度。

另（lìng）外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出（chū）現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大（dà）。當流出速度恒定時，導管（guǎn）越（yuè）短，膨脹越（yuè）嚴重，可（kě）達一倍之（zhī）多（duō）。除上述入口（kǒu）與出口端末效應外，還有一種現象，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（liú）出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔（róng）體破碎”。在擠（jǐ）出注塑加（jiā）工（gōng）成型中往往采用（yòng）改進（jìn）成型口模和將流量控製在一定範圍（wéi）內來解決。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（shù）方程式（shì）的非牛頓流體和牛（niú）頓流體。

二、注射成型（xíng）中的流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可（kě）以分（fèn）成三（sān）個區段。第I區段是塑料物料在注（zhù）射機（jī）內旋轉螺杆與料（liào）筒之（zhī）間進行輸送、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（qū）段是儲存在料筒端部的塑料熔體受（shòu）螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具（jù）的主流道、分流道（dào）和澆（jiāo）口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較（jiào）大，截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（gè）區段流體（tǐ）基本上不（bú）發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆（jiāo）口射入型腔過（guò）程中的流動、相變及固化。這一區（qū）段完全在（zài）模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷（qiān）移（yí）理論、不穩定導（dǎo）熱等（děng）方麵（miàn）的知識。

(一)流體在流（liú）道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體在第II區段（duàn）的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變（biàn）化複（fù）雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的（de）溫度隨時間（jiān）而變化（huà），溫度（dù）場不穩定。盡管如此，仍可（kě）對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時狀態的（de）分析。

注射成型的（de）基本（běn）要求是根據型腔體積將足量的（de）塑料熔體以較快的速度（dù）注入型腔，再配合其（qí）他各種條件，效率地生產出外觀（guān）和內部質量均好（hǎo）的注射塑件。根據實踐經（jīng）驗，由於注射機的規格（gé）已根據塑件體積選（xuǎn）定，注射速（sù）率（lǜ）為已知值，也即理想的qv值已（yǐ）確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速（sù）率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射機的規格已（yǐ）根據塑件體積選定，注射（shè）速（sù）率為（wéi）已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口（kǒu）截麵尺寸的（de）範圍。但是（shì）它們之間不是孤立的，而是相互有影響的，改變了某（mǒu）一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析（xī）。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持（chí）恒定時，則澆口入（rù）口處的壓力p1,保持不變（biàn），如（rú）果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小（xiǎo），也就使澆（jiāo）口（kǒu）入（rù）口與出口之間（jiān）的壓力降減小，熔體在澆口（kǒu）中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注（zhù）射螺杆上，螺杆（gǎn）向前推進的速度加快（kuài），也即注（zhù）射速（sù）度加快，所以，縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由（yóu）於熔體在澆口中的流速提高，也即（jí）注射速度提高（gāo），熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的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（zǒng）是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵（miàn）有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增（zēng）長。但是，澆口（kǒu）截麵增大了，熔（róng）體在澆口中的流速減慢，熔體（tǐ）的表觀黏度相應增高。所以，澆口（kǒu）截麵的增大有個極限值，這（zhè）是大澆口的上限。超過（guò）此值（zhí）時，再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越（yuè）大越好。相反（fǎn），點澆口之所以成（chéng）功，是因（yīn）為（wéi）絕大多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪（jiǎn）切速率越大，因而表觀黏度越小，越容（róng）易注射。東（dōng）莞市馬（mǎ）馳科注塑加工廠 采用小澆口意（yì）味著斷麵很（hěn）小，即（jí）R很小，熔體流經（jīng）小澆口時（shí）流速極大，剪切（qiē）速率相應也（yě）極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於（yú）熔體高速流經小澆（jiāo）口，部分轉變為熱能，遂提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，剪切速率與表觀黏度（dù）失去了依存關（guān）係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過（guò）此極限值時，剪切速（sù）率再（zài）增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的（de）斷麵（miàn）就是點澆口的極（jí）限尺寸。對多（duō）數塑料來（lái）說，點澆口的（de）直徑（jìng）不（bú）大於 1.5mm,對較黏的塑（sù）料。

(3)選擇（zé）合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀黏度（dù）與剪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要在曲線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗為（wéi）重要的。一（yī）般來說（shuō），剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡（jìn）可能高，這（zhè）是大（dà）尺寸澆口的模具所（suǒ）難以達到的。

(4)表觀黏度 當模（mó）具充不滿時，除增大（dà）注射量和注（zhù）射速度，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（biǎo）觀黏度也是一個有效的辦法。降低（dī）黏度的一種辦（bàn）法是升高溫度，然而溫度的升高（gāo）也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提（tí）高（gāo）將會增（zēng）加（jiā）塑件在模內（nèi）的（de）冷卻時間。降（jiàng）低黏度的另一種辦法是提高剪（jiǎn）切速率，提高剪切速率也要受（shòu）到（dào）聚合物的降解或燒焦以（yǐ）及“熔體破碎”可能性的限製（zhì）。提高剪（jiǎn）切速率可借助於（yú）小澆口尺（chǐ）寸（cùn）或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿（mǐn）區段是聚（jù）合物熔體經澆（jiāo）口射入模具型腔的過程，即（jí）充模過程（chéng）。這是（shì）一個（gè）複雜（zá）的過程（chéng），一般為非等溫流動。由於（yú）這一注塑（sù）加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。