一、聚合物（wù）熔體在簡（jiǎn）單（dān）截麵導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程（chéng）中，經常會遇到聚合物熔（róng）體在（zài）各種幾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，從噴嘴經澆注係（xì）統注入型腔內;在擠出注塑（sù）加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在（zài）流動過程中的流量與壓（yā）力降的關（guān）係（xì）、切應力（lì）與剪切速率（lǜ）的關（guān）係、物料（liào）流速（sù）分布、端末效應等都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量（liàng）和質量、設計成型設備和模具都有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種（zhǒng）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（liú）動

為了研（yán）究聚合物熔體在圓形（xíng）導管內的流（liú）動狀況，假設（shè）其流體是在半徑為R的圓形導管（guǎn）內作等溫穩定的層流運動，且服從指數定（dìng）律。取距離 T 為r處的流體圓柱體（tǐ）單元，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右移動時，在（zài）流體層間產生摩擦力，於是，其中（zhōng）壓力降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（miàn）積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由（yóu）此（cǐ）看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓（yuán）形導管內的（de）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賴於所施（shī）加的切應力，所以，可用下麵函數關（guān）係（xì）來（lái）表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律（lǜ）可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的特（tè）例，此（cǐ）時牛頓黏度η=ド，故也可（kě）得出（chū）相應的流速、體積流量及管（guǎn）壁處剪切速率的計算公式。線幾何形狀相（xiàng）似，隻（zhī）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（yǔ）表觀（guān）流動行為指（zhǐ）數。

(二)在扁形導槽內的流動

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。在扁形導槽內取一矩形單（dān）元體，其厚度為2y,寬度取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（dà）於（yú）扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減（jiǎn）緩作用可忽略不計)，根據力的平衡，得也就（jiù）成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性（xìng）定律方（fāng）程式，此處K就成為黏（nián）度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導流體在各種（zhǒng）截麵流道內流動的（de）流動（dòng）方程式時，不論牛（niú）頓流體或非牛頓流（liú）體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零（líng），向管壁逐（zhú）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 呈拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管（guǎn）進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（dà）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。隻有貼近管壁極（jí）薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在（zài）進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形（xíng）成，實驗測定，流（liú）體在此段內的（de）壓力降總是（shì）比（bǐ）用式算出（chū）的大。這是因為聚合（hé）物熔體在此區（qū）域內產生彈（dàn）性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口（kǒu）損耗曾有人設想為相當於（yú）一段導管所引起的損耗，事（shì）實上這一段導管長（zhǎng）度並不存在，因（yīn）而稱為“虛構長度”或“當（dāng）量長度”。當量長度的長短（duǎn）隨（suí）具體（tǐ）條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的當（dāng）量長度一（yī）般約（yuē）為導管（guǎn）半徑的6倍（bèi），在此區域內，料流已（yǐ）經不受導管約束，料流（liú）各點速度（dù）在此重新調（diào）整為相（xiàng）等的速度。

另外（wài），在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢（huī）複又出（chū）現膨脹（zhàng），而且脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一（yī）倍之多。除上述（shù）入（rù）口與出口（kǒu）端末效應外，還（hái）有一種現象，即當剪切速率高達一定值（zhí）時，流出物表麵（miàn）呈粗糙（cāo）狀，剪切速率越大，流出物（wù）越粗糙，甚至不能成（chéng）流，很快（kuài）斷裂，這種現象稱為“熔體破碎（suì）”。在擠出（chū）注塑加工成型中往往采用改進成型口模和將流量（liàng）控製在一定範（fàn）圍內來解決。為了分析流體（tǐ）在穩定流動時的速度分（fèn）布（bù），對於符合指數函（hán）數方程（chéng）式的非牛頓流體和牛（niú）頓流體。

二、注射成型中（zhōng）的流動狀態分析

注射（shè）成（chéng）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（zhuǎn）螺杆與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化好的（de）熔體儲存在料筒的端（duān）部。第II區段是儲存在料筒端（duān）部的塑料熔體（tǐ）受螺杆的向前推壓通過（guò）噴（pēn）嘴、模具的主流道、分流道和（hé）澆口，開始射入型（xíng）腔內。這一（yī）區段的特點是各段流道（dào）長徑（jìng）比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過（guò）程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化（huà）。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中（zhōng）的流動、相變及固（gù）化。這一區段完全（quán）在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維（wéi）流動（dòng）、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在（zài）流道（dào）中的狀態

注射成型中，流（liú）體在第II區段的流動要經（jīng）過多（duō）種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模具（jù）中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩（wěn）定。盡管如此，仍可對其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體流（liú）經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要（yào）求是根據型（xíng）腔體積（jī）將足量的塑料熔體（tǐ）以較快的速度注入型腔，再（zài）配合其他（tā）各種（zhǒng）條（tiáo）件，效率地生產（chǎn）出外觀和內部質量均好的注射塑件。根據（jù）實踐經驗，由（yóu）於注射機的規格已根據塑（sù）件體積選定，注射速率為已知值，也（yě）即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪（jiǎn）切速率範（fàn）圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的（de）範圍。由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（yě）即理想的qv值已（yǐ）確（què）定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口（kǒu）截麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們之間（jiān）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（shù）也隨之而（ér）變（biàn）。下麵分（fèn）別（bié）進（jìn）行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處的（de）壓（yā）力（lì）p1,保持不變，如果改短澆口長度（dù）L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也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（zēng）大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進（jìn）的速度加快，也即注射速度加快，所以（yǐ），縮短澆口長度，在不增大澆口斷麵的情（qíng）況下，就能提高注（zhù）射速率。同時，由於熔體在澆（jiāo）口中的流速提高，也即注射速（sù）度提高，熔體的表觀黏度也相應（yīng）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（bèi）固封，可保持（chí）常開。由於以上理由，設計澆口長度L時（shí），總是取值（zhí）。

(2)澆口斷麵尺寸 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（kǒu）截麵增大了，熔體（tǐ）在澆口中（zhōng）的流（liú）速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截麵，由於表（biǎo）觀黏度的（de）增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以（yǐ），澆（jiāo）口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕（jué）大多數塑料（liào）熔（róng）體的表（biǎo）觀黏度是剪切（qiē）速率的函數（shù），熔體流速越快（kuài），即（jí）qv越大，它的剪切速率越大，因而（ér）表觀黏度（dù）越小，越容易注射。東莞（wǎn）市馬馳科注塑（sù）加工廠 采（cǎi）用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時流速極大，剪切速率相應也極大，表（biǎo）觀黏度很低（dī）。另外，由於熔體高速流（liú）經小澆（jiāo）口，部分轉變為熱能，遂提高（gāo）了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的（de）表觀（guān）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失去（qù）了依（yī）存關係，稱為失去了“剪切速率效應”。超過（guò）此極限值時（shí），剪切速率（lǜ）再增（zēng）加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大（dà）於 1.5mm,對較黏的（de）塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於非牛頓假塑性流（liú）體，其表觀黏度與剪切（qiē）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（wǎn）市馬馳科注塑（sù）加工廠要在曲線上選擇一段剪切（qiē）速率，使（shǐ）它對（duì）黏度的（de）影響有利於注射，這是（shì）頗為重要的。一般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且（qiě）盡可能高，這是大尺寸澆口的（de）模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充（chōng）不滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統（tǒng）尺寸以便將流（liú）量（liàng）傳送至澆口外（wài），降低塑料（liào）熔體的表觀黏度也是（shì）一個（gè）有效（xiào）的辦（bàn）法。降（jiàng）低黏度的（de）一種（zhǒng）辦法是（shì）升高溫度，然而溫度的升（shēng）高也有（yǒu）一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將會增加塑件（jiàn）在模內的（de）冷卻時（shí）間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率，提（tí）高剪切速率也要受到聚合（hé）物（wù）的降（jiàng）解或燒焦以及“熔體（tǐ）破碎”可能性的限製。提高剪切速率可（kě）借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)流體在充模過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔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（liú）動。由於這一（yī）注塑加工（gōng）過（guò）程的分析過於複雜，在這裏（lǐ）不作進一步的（de）闡述。

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