一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動（dòng）

在塑料（liào）注塑加工成型過（guò）程中，經（jīng）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，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆注係統注入型（xíng）腔內;在（zài）擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓（yā）力降的關係、切應力與（yǔ）剪切速率的關係、物料流速分布、端末效（xiào）應等都是十分重要的，因為這對（duì）控製成型注（zhù）塑加工工藝、塑件產量和質量（liàng）、設計成型設備和模具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓（dùn）流體流變行為的複雜（zá）性（xìng），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)在圓形導管內的流動

為了研（yán）究聚合物熔體在圓形（xíng）導管內的流動狀況，假設其流體是在半徑為R的圓（yuán）形導管內作（zuò）等溫穩定的層（céng）流運動，且服從指數（shù）定律。取距離（lí） T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為（wéi）L,當它 ≈ 由左向右移動時（shí），在流體（tǐ）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（děng）於切應力（lì）т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流（liú）動液體受力分析（xī）。由（yóu）此看出，切（qiē）應力（lì）為零，逐漸增大而在管壁處為（wéi），據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋物線（xiàn）形。

對於牛頓流體或非牛頓（dùn）黏性流體（tǐ），由於其剪切速率隻依賴於所（suǒ）施加的切應力，所以（yǐ），可用下（xià）麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性（xìng）定律可以看為指數方程式r=Ky”中n=1時的（de）特（tè）例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率（lǜ）的計算（suàn）公式。線幾（jǐ）何形（xíng）狀相（xiàng）似，隻是沿 軸作上下平行移動而已（yǐ），因而K'和n可相應（yīng）視作另一個稠度和流（liú）動行為指數，也稱表觀（guān）稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽（cáo）內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取（qǔ）一矩形單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長（zhǎng）度，長度（dù）為L.假定扁槽上下兩麵（miàn）為無（wú）限寬平行麵（miàn）(扁槽寬（kuān）度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時扁（biǎn）槽兩側壁對流速 的（de）減緩作用可忽略不（bú）計)，根據（jù）力（lì）的平衡，得也（yě）就（jiù）成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定律方程（chéng）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（shù），在推導流體在各種截麵流道內流動（dòng）的流動方程式時，不論牛（niú）頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，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（zhú）漸減少（shǎo），而在管壁處為 零。對牛頓（dùn）流體（tǐ）來說，這種速度分（fèn）布 呈拋物線形;但（dàn）是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於穩（wěn）定流動，流（liú） 體各質點的運動速（sù）度在大小和方向（xiàng）上都隨時發生（shēng）變（biàn）化，因（yīn）而其速度分布幾乎平坦而成一直線（xiàn）。隻（zhī）有貼近（jìn）管壁極（jí）薄（báo）一層液層處，其速度驟（zhòu）降，至管壁處為零，流體在進入導管（guǎn）後須經一定距離，穩定狀態方（fāng）能形成（chéng），實驗測定（dìng），流體在此段內的壓力降總（zǒng）是比用式算出的大。這是因為聚（jù）合物熔體在此區（qū）域（yù）內產（chǎn）生彈（dàn）性變（biàn）形和（hé）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（yú）一段導管所引起的損耗，事實上這一段導（dǎo）管長度並不（bú）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（wù）熔體的（de）當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此（cǐ）區域內，料流已經不（bú）受導管約束，料流各（gè）點速度在此重新調（diào）整為相等（děng）的速度。

另外（wài），在出口區，假（jiǎ）塑性流體繼收縮之後由於（yú）彈性恢複又出現膨脹，而且（qiě）脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時，導管（guǎn）越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出（chū）口端末效應外，還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時（shí），流出物表麵呈粗糙狀，剪切速（sù）率越大，流出物越粗糙（cāo），甚至（zhì）不能成流，很快（kuài）斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在（zài）擠出注（zhù）塑加工成型中往（wǎng）往采用改進成型口模和將流量控製（zhì）在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流（liú）動時的速度分布，對於符合指數函數方程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流動狀態分析

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旋轉螺杆與料筒（tǒng）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（shì）儲存在料筒端（duān）部（bù）的塑料熔（róng）體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始（shǐ）射入型（xíng）腔內（nèi）。這一區（qū）段的特點是各（gè）段流道長徑比較大，截麵（miàn）一（yī）般具有簡單的幾何形狀。注射過程中（zhōng）塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生（shēng）物理、化學變化。第II區段是塑料熔（róng）體經澆口射入型腔過程（chéng）中的（de）流動、相變及固化。這一區（qū）段完全在模具內完成，過程非（fēi）常複雜，涉及三維流動、相（xiàng）遷移（yí）理論、不（bú）穩定導熱等方（fāng）麵的知（zhī）識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多（duō）種截麵形狀的（de）流道，這（zhè）裏阻力（lì）變化複雜，壓力損失大，且模具中（zhōng）的主流道、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分析。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔（róng）體以較（jiào）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（zhù）射塑（sù）件。根據實踐經驗，由於注射機的規格已根（gēn）據塑件體積（jī）選定，注（zhù）射速率為已知值，也（yě）即理想的qv值已確定，因此（cǐ），根據表觀剪切速率範圍即澆口可求（qiú）出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。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（zhí），也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪（jiǎn）切速率範圍即澆口（kǒu）可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是（shì）相互有影響的，改變了某一個（gè）參數，其他參數也隨之而（ér）變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當（dāng）注射壓力保持恒（héng）定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如（rú）果改短（duǎn）澆口長度L,這（zhè）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（róng）體在澆口中的流速增大（dà），這就增大（dà）了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即（jí）注射速度加快，所以，縮短澆口長（zhǎng）度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提（tí）高注射速率。同時，由於熔體（tǐ）在澆口中的流速提（tí）高（gāo），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（liú）體的表觀黏度與（yǔ）剪切速率有關。又短澆（jiāo）口可以不被固封，可保持常開。由於（yú）以上理由，設計澆口長度（dù）L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵（miàn）有（yǒu）利於qv值的（de）增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆（jiāo）口截麵增（zēng）大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度相應增高。所以，澆（jiāo）口截麵的增大（dà）有個極限（xiàn）值，這是大澆口的上限。超過此值時，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（duàn）麵尺寸並非越大越好（hǎo）。相（xiàng）反，點澆口之所以成功，是因為絕大多數塑料熔體的表觀（guān）黏度是剪（jiǎn）切速率的函數，熔體流速越（yuè）快，即qv越（yuè）大，它的剪切速率越大（dà），因而表（biǎo）觀黏度越小，越（yuè）容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔體流經小澆口時流速極大，剪切速率相應也極大（dà），表觀（guān）黏度很（hěn）低。另外，由於熔體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了（le）澆口處的（de）局部溫（wēn）度，也有利於降低熔體的表觀黏（nián）度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表（biǎo）觀黏度失去了依（yī）存關係，稱為（wéi）失（shī）去了“剪切速率效（xiào）應”。超過（guò）此極限值（zhí）時（shí），剪切速率再增加，表觀黏度（dù）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，點澆口的直徑不大於 1.5mm,對較黏的塑（sù）料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多（duō）數塑（sù）料熔體都屬（shǔ）於非牛（niú）頓假塑性流體，其表觀黏度與（yǔ）剪切（qiē）速率（lǜ）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（duàn）剪切速率，使它對黏度的影響有利於注射，這是頗（pō）為重要的。一般（bān）來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的（de）模具所難以達（dá）到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射（shè）速度，加大流道係統尺寸以便將（jiāng）流量傳送至澆口外，降低塑料熔體的表觀黏（nián）度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是（shì）升高溫度，然而溫度的升高也有一定（dìng）限製，不能高於（yú）聚合物的降解溫度，而（ér）且（qiě）溫（wēn）度（dù）提高將會增加（jiā）塑件在模內的冷卻時間。降（jiàng）低黏度的另一種辦法是提高剪切（qiē）速率，提高剪切速（sù）率也要受到聚合物的降解或燒焦以及（jí）“熔體破碎（suì）”可能性（xìng）的限製。提高剪切速（sù）率可借助於小澆口尺寸或增（zēng）大注射壓力，也（yě）即增大切應力或兩者兼（jiān）備。

(二)流體在充（chōng）模過（guò）程中的狀態

注射（shè）成型的第皿區段是聚合物熔體（tǐ）經澆口射入模具型腔的過程，即充模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由（yóu）於這一注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。