一、聚合物（wù）熔體在簡單（dān）截麵導管內的流動

在塑料（liào）注塑加工成型過程中，經常會（huì）遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內（nèi）流動（dòng）的情況。如在注射過程中，熔體被柱（zhù）塞推動前（qián）進，從噴嘴經澆注係統注入（rù）型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體（tǐ）被螺杆擠進各種口模。研究熔（róng）體在流動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、物料流速分布、端末效應等都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工（gōng）工藝、塑件產量和質量（liàng）、設計成型設備和模具（jù）都有直接關係（xì）。由於（yú）非牛頓流（liú）體流變行為的複（fù）雜性，目前（qián）隻能對幾種（zhǒng）簡單截麵導管（guǎn）內（nèi）的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動（dòng）

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的（de）流動狀況，假（jiǎ）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（shù）定律。取（qǔ）距離 T 為r處的流（liú）體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左（zuǒ）向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於（yú）是（shì），其中壓力（lì）降（jiàng）Δp與（yǔ）圓柱體截麵的（de）乘積必（bì）等於切應力т與流體（tǐ）層間接觸麵積的（de）乘積，圓形導管中（zhōng）流動液體受力分析。由此（cǐ）看出，切應力為零，逐漸（jiàn）增大而在管壁處為（wéi），據此進一步推導的結果，又（yòu）可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物（wù）線形。

對於牛頓流體或非牛（niú）頓黏性流體，由（yóu）於其剪（jiǎn）切（qiē）速率（lǜ）隻（zhī）依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流（liú）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，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出（chū）相應的流速、體積流量及管壁處（chù）剪（jiǎn）切速率的計（jì）算公（gōng）式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上（shàng）下平行移動而已，因而K'和n可相應視（shì）作另一個稠度和流動行為指數，也（yě）稱表觀稠度與表觀流動行（háng）為（wéi）指數。

(二)在扁形導槽內的（de）流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩（wěn）定層流運動時。在扁形導（dǎo）槽內取一矩（jǔ）形單（dān）元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度（dù），長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽（cáo）寬度W應大於扁槽（cáo）上下 平行麵距離2B的20倍（bèi），此時扁槽兩側壁（bì）對流（liú）速 的減緩作用（yòng）可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成（chéng）為牛頓流體的流動行為（wéi），即為牛頓（dùn）黏性定律方程式，此處K就成為黏度（dù）n.

(三)端末效應與速度分布

如前所述，在推導流體在各（gè）種截麵流道內流動的流（liú）動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假（jiǎ）定流動屬穩定流（liú）動狀態，切（qiē）應力為零，向管壁逐漸增大，而在管壁處為。因（yīn）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（wéi） 零。對牛頓（dùn）流體（tǐ）來說，這種（zhǒng）速度（dù）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（xiàng）上都隨時（shí）發生變化，因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼（tiē）近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進（jìn）入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比用式算出的（de）大。這是因為聚合物熔體在此區域內產（chǎn）生彈（dàn）性變形和速度調整（zhěng）消耗一部分的結（jié）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並（bìng）不存在，因而稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的（de）長短隨具體條件而改變（biàn），實驗證明，聚（jù）合物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內（nèi），料流已經不受導管約束，料流各點速度在此重新調整為相等的速度。

另外（wài），在出口區，假塑（sù）性流體繼收縮（suō）之後由於彈（dàn）性（xìng）恢複又（yòu）出現（xiàn）膨脹，而（ér）且脹至比導（dǎo）管直徑還要大。當流（liú）出速度恒定時，導（dǎo）管越短，膨脹越嚴重，可達一（yī）倍之多。除上述入口與出口端（duān）末效應外，還有一種現象（xiàng），即當剪切速率高達一定（dìng）值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越（yuè）大，流出物越粗糙，甚至不（bú）能成流（liú），很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注（zhù）塑加工成型中往往采（cǎi）用改進成型口模和將流量控製（zhì）在一定範圍（wéi）內來解決。為了分析流體在穩定流動時（shí）的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛（niú）頓流體。

二、注射成型中的流動狀態（tài）分析

注射成型（xíng）中的流動過（guò）程，可以分成三個（gè）區（qū）段（duàn）。第I區段是塑料物料在（zài）注射機內旋轉螺杆與（yǔ）料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將塑化（huà）好的熔體儲存在料筒的端部。第II區段是儲存在料筒（tǒng）端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓（yā）通（tōng）過噴嘴、模（mó）具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段（duàn）流道長（zhǎng）徑比較大（dà），截麵一般（bān）具有（yǒu）簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流（liú）動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化。第II區段是（shì）塑料熔體經（jīng）澆口射入型腔過程中的流動、相變及（jí）固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜（zá），涉及三維流動、相遷移理論（lùn）、不穩定導熱等方麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道（dào）中的狀態

注射成（chéng）型中（zhōng），流體在（zài）第II區段的（de）流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化（huà）複雜，壓力損失大，且模具中的主流道（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，仍可（kě）對（duì）其分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體（tǐ）流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足（zú）量的塑料熔體以較快的速度注入型腔，再（zài）配合其他各種條件，效（xiào）率地生產出外觀和（hé）內部質量均好的注射塑（sù）件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根據塑件體積選定（dìng），注射（shè）速率為已（yǐ）知值，也即理想的qv值（zhí）已（yǐ）確定，因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射機（jī）的規格已根據塑件體積選定，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（chǐ）寸的範圍。但是它（tā）們之間不是孤立的，而是相互有影響的（de），改變了某一個參數，其他（tā）參數也隨之而變。下（xià）麵（miàn）分別進行分析。

(1)澆口長度（dù）L 當注射壓力（lì）保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這（zhè）就使（shǐ）熔體流經澆口的阻力減小，也就使澆口入口與出（chū）口之間的壓力降（jiàng）減小，熔體在（zài）澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射（shè）速度加快（kuài），所以，縮短澆（jiāo）口長度，在不（bú）增（zēng）大澆口斷麵（miàn）的情（qíng）況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體（tǐ）在澆口中的流速提高，也（yě）即注射速度提高，熔體的表觀黏度也相應降低，這是由於非牛頓流體的表觀黏（nián）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（shàng）理由，設計澆口長（zhǎng）度L時，總是取值。

(2)澆口（kǒu）斷麵尺寸（cùn） 增大澆口斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比（bǐ）例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體（tǐ）在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度（dù）相（xiàng）應增高。所以，澆（jiāo）口截麵的增大有個極限值，這是大澆口的上限。超過此（cǐ）值時，再增大截麵，由（yóu）於（yú）表觀黏度（dù）的增大，反而使qv值減小。所（suǒ）以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔（róng）體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體流速越快，即qv越大，它的剪切速（sù）率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市（shì）馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意（yì）味著斷麵很小，即（jí）R很小，熔體（tǐ）流（liú）經小澆口（kǒu）時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於（yú）熔體（tǐ）高速流經小澆（jiāo）口，部（bù）分轉變為熱能，遂提高了澆（jiāo）口處的局部（bù）溫度，也有利於降（jiàng）低熔體的（de）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失去了（le）依存（cún）關係（xì），稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再（zài）增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷麵（miàn）就（jiù）是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較（jiào）黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速（sù）率（lǜ） 因（yīn）為大多（duō）數塑料熔體都屬於非（fēi）牛頓假塑性流體，其表觀黏度與剪切速率的函數式可用式（shì）表（biǎo）示。即n.與y是指數函數關係，不是線型關係。如果剪切（qiē）速率再高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬（mǎ）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，這是頗為重要的。一般來說，剪切速（sù）率取高值，黏度（dù）影響（xiǎng）小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表（biǎo）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外，降低塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是（shì）升高（gāo）溫度（dù），然而溫度（dù）的升高也有（yǒu）一定限製，不（bú）能高於聚合物的降解溫度，而且溫度提高將（jiāng）會增加塑件在模內的冷卻時間。降低（dī）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物的降解或燒焦以及“熔體破（pò）碎”可（kě）能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺（chǐ）寸或增大注射壓（yā）力，也（yě）即增大切應力或兩者兼備。

(二)流體在充模（mó）過程中的（de）狀態

注射成型的第皿（mǐn）區段是聚合物熔體經澆口（kǒu）射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非（fēi）等溫流動。由於這一注塑加工過（guò）程的分析過於複雜，在（zài）這裏不（bú）作進一步的闡述。