一、聚合（hé）物熔體在簡單截麵導管內的（de）流動

在塑料注（zhù）塑加工成型過程中，經常（cháng）會遇到（dào）聚合物熔體在各種幾何（hé）形狀導管內流動的情（qíng）況（kuàng）。如在注射過程中，熔體被柱塞推動前進，從噴（pēn）嘴經澆注係統注入（rù）型腔內;在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（dòng）過（guò）程中的流量與壓力（lì）降的關係（xì）、切應力與剪切速率的關係、物料（liào）流速分布（bù）、端（duān）末效應（yīng）等都是十分重要的，因為這對控製成型注塑加工工藝、塑件（jiàn）產量和質（zhì）量、設計成型（xíng）設備和模具都有直接關係。由於非牛頓（dùn）流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單（dān）截麵導管內的流動作定量的計算。

(一)在圓形導管內的流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀況，假設其流體是（shì）在半徑為R的圓形導管內作等溫穩定的層流（liú）運動，且服（fú）從指數（shù）定律（lǜ）。取距離 T 為（wéi）r處的流體（tǐ）圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱（zhù）體截麵的乘（chéng）積必等於切應力т與（yǔ）流（liú）體層間接觸（chù）麵積的乘積，圓形導（dǎo）管（guǎn）中（zhōng）流（liú）動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐（zhú）漸增大而在管壁處（chù）為，據此進一步推導的結（jié）果，又可說明流體在圓形導管（guǎn）內的速度分布為什麽（me）呈拋物線形。

對（duì）於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由（yóu）於其剪切速（sù）率隻（zhī）依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數關係（xì）來（lái）表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性（xìng）定律可以看（kàn）為指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故（gù）也可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪切速率的計算公式。線（xiàn）幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動（dòng）而已，因而K'和n可相應（yīng）視作另一個（gè）稠度（dù）和（hé）流動行為指數，也（yě）稱表觀稠度與表觀流（liú）動行為（wéi）指數。

(二（èr）)在扁形導槽內（nèi）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。在扁形導槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚度為（wéi）2y,寬度取1個（gè）單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行（háng）麵距離2B的20倍，此（cǐ）時扁槽兩側壁（bì）對流速 的減緩作用可忽略不計)，根（gēn）據力的平（píng）衡，得（dé）也就成為牛頓流體的流動行為，即為牛頓黏性定（dìng）律方程（chéng）式，此處K就成為黏度（dù）n.

(三)端末效（xiào）應與速度（dù）分布

如前所（suǒ）述，在推導流體在各種截麵流道內流動的流動（dòng）方程式時，不論（lùn）牛頓流體或非牛頓流體，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（chù）為。因（yīn）而，流體在導管內的速度分（fèn）布為零，向管（guǎn）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、大管進（jìn）入導管內時就不屬（shǔ）於穩定（dìng）流動，流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎平坦（tǎn）而成（chéng）一直（zhí）線。隻有貼（tiē）近管壁極（jí）薄一（yī）層液層處，其速度驟降，至管壁處為零，流體在進（jìn）入導（dǎo）管後須（xū）經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗（yàn）測定（dìng），流體在此段內的壓力（lì）降總是比用式算出的大。這是因為聚合物熔體在此區域內產生彈（dàn）性變形（xíng）和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗（hào）曾有人設想（xiǎng）為（wéi）相當於一段導管所引起的損（sǔn）耗，事實上這一段導管長度並（bìng）不（bú）存在（zài），因而（ér）稱為“虛構長度”或“當量長度”。當量長度（dù）的長短隨（suí）具體條件而改變，實驗證明，聚合物熔體的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（dǎo）管約束，料流各點速度在此重新調整為相等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮（suō）之後由（yóu）於彈性（xìng）恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流（liú）出速度恒定時，導管越短，膨脹越嚴重，可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現（xiàn）象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵（miàn）呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物（wù）越粗糙，甚至（zhì）不能成流，很快斷裂，這種（zhǒng）現象稱為“熔體（tǐ）破碎”。在擠出注塑（sù）加工成型中往往（wǎng）采（cǎi）用改進成型口模和將流（liú）量控製在一定範圍內來解決。為了分析（xī）流體在（zài）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流體和牛頓流體（tǐ）。

二、注射成（chéng）型中的（de）流動狀（zhuàng）態分析

注射成型中（zhōng）的流動過程，可以分成三個區（qū）段。第I區（qū）段是塑料物（wù）料在注射機內旋（xuán）轉螺杆與料（liào）筒之間進行輸（shū）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區段是儲存在料筒端部的塑料熔（róng）體受螺杆的向前推壓（yā）通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔內。這一區段（duàn）的特點是各段流道長徑比較大，截麵一般具（jù）有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段（duàn）流（liú）體基本上不發生物理、化學變化。第II區段（duàn）是塑料熔體經澆（jiāo）口射入型腔（qiāng）過程中的（de）流動、相（xiàng）變及固化。這一區段完全在（zài）模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩（wěn）定導熱等方麵的知識。

(一)流體在（zài）流道中的狀態

注（zhù）射成型中，流體在第II區段的（de）流動要經過多（duō）種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失大，且模（mó）具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管如此，仍可對其分別（bié）加以分析。這（zhè）裏（lǐ），重要的是對（duì）塑料熔體流經澆口時狀（zhuàng）態（tài）的分（fèn）析。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足量的塑料熔體以較快（kuài）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（liàng）均好的注射塑件（jiàn）。根據（jù）實踐經驗，由於（yú）注射機的規格已根據塑（sù）件體積選定，注射速率為（wéi）已知值，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（jiāo）口截麵（miàn）尺寸的範圍。也（yě）即求出R 的範圍和寬厚積（jī）Wh的（de）範圍。由於注射機的規格（gé）已根據塑件體積選定，注射速率為已知值，也即理（lǐ）想的qv值已確定（dìng），因此，根據表觀剪切速（sù）率（lǜ）範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但（dàn）是它們之間不是孤（gū）立的，而是相互有影響的，改變了（le）某一個參數，其（qí）他參（cān）數也隨之而變。下麵（miàn）分別進（jìn）行分析。

(1)澆（jiāo）口長度L 當（dāng）注射壓力保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變，如果改短澆口長度L,這就（jiù）使（shǐ）熔體流經澆口的阻力減小，也就使（shǐ）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），這就增大了q,值。反映到注射螺杆上，螺杆向前（qián）推進的速度加快，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況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提（tí）高，也即注射速度提高，熔體（tǐ）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（jiāo）口斷麵（miàn）尺寸 增大澆口斷麵有利於（yú）qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例（lì）增長。但是，澆口截（jié）麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢（màn），熔（róng）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（dà）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（xiǎo）。所以，澆口斷（duàn）麵尺寸並非越（yuè）大（dà）越好。相反，點澆（jiāo）口之所以成功（gōng），是因為絕（jué）大多數塑料熔體的表觀黏度是剪（jiǎn）切速率的函數，熔體（tǐ）流速越快（kuài），即qv越大，它的剪切速率越大，因而表（biǎo）觀黏度越小，越容（róng）易注射。東莞市馬馳科注塑加（jiā）工廠 采（cǎi）用小澆口意（yì）味著斷麵很小，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，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速（sù）流經小澆口，部分轉變（biàn）為熱能，遂提高了澆口（kǒu）處的（de）局部溫度，也有利於降低（dī）熔體的表（biǎo）觀黏度。但是（shì），當剪切速率提高到極（jí）限值時，剪切速（sù）率與表觀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，剪切速（sù）率（lǜ）再（zài）增加，表觀（guān）黏度不再降低。此（cǐ）時澆口的斷麵就是點澆口的（de）極限尺寸。對多數塑料來說，點澆口的直徑不（bú）大於（yú） 1.5mm,對較黏的塑料（liào）。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔（róng）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（kě）用式表示。即n.與y是指數（shù）函數關係（xì），不是線型關係。如（rú）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，這是頗為重（chóng）要的。一（yī）般來說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡（jìn）可能高，這是大尺寸澆口（kǒu）的模（mó）具（jù）所（suǒ）難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大注射量和注射速（sù）度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低（dī）塑料熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一（yī）種辦（bàn）法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限（xiàn）製，不能高於聚（jù）合物的降解溫（wēn）度，而且溫度提高將會增加塑（sù）件（jiàn）在模內的（de）冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是（shì）提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提（tí）高剪切速率可借助於小澆口尺寸或（huò）增大注射壓力，也即增大切應力或（huò）兩者兼（jiān）備。

(二)流體在充模過程中的狀態（tài）

注射成型的第皿區段是（shì）聚合物熔（róng）體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（chéng），一（yī）般為非等溫（wēn）流動。由（yóu）於這一（yī）注塑加工過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡述。