一、聚合（hé）物熔（róng）體在簡單截麵導管內的流動

在（zài）塑料注塑加工成型過程中，經常會遇（yù）到聚合（hé）物熔（róng）體在各種幾何形（xíng）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（jìn），從噴嘴經（jīng）澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種（zhǒng）口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力降的（de）關係（xì）、切應力與剪切速率的（de）關係、物料流速分布（bù）、端末效應等都是十分重要的，因為這對控製成（chéng）型注（zhù）塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都有（yǒu）直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜（zá）性（xìng），目前隻能對幾種簡單截（jié）麵導管內的流動作定量的計算（suàn）。

(一)在圓形（xíng）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（zhǐ）數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向（xiàng）右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中（zhōng）壓力降（jiàng）Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切應力т與（yǔ）流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力（lì）分析。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁（bì）處為，據此進一步推導的結果，又可說明流體在圓形導管（guǎn）內的速度分布為什麽呈拋（pāo）物線形。

對於牛（niú）頓流體或非牛頓黏性流（liú）體，由於其剪切速率隻依賴於所施（shī）加的切應力（lì），所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體（tǐ），由於（yú）牛頓黏性定律（lǜ）可以看為（wéi）指數方程式r=Ky”中n=1時的特例，此（cǐ）時牛頓黏度（dù）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（shì）沿（yán） 軸（zhóu）作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個（gè）稠度和流動行為指（zhǐ）數（shù），也（yě）稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二（èr）)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在（zài）等溫條件（jiàn）下經（jīng）扁形導槽作穩定層流運（yùn）動時。在（zài）扁形導槽內取一矩形單元（yuán）體，其厚度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁槽上下兩（liǎng）麵為無限寬平行麵(扁槽寬（kuān）度W應大於扁槽上下 平行麵（miàn）距離（lí）2B的20倍，此時扁槽兩側壁（bì）對流速 的減緩作用（yòng）可忽略不計)，根據力的平衡，得也就成為牛頓流體的（de）流（liú）動行為，即為牛（niú）頓黏性（xìng）定律方程式，此（cǐ）處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如（rú）前所述，在推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程式時（shí），不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應（yīng）力為零（líng），向管壁逐漸增大，而在管壁處（chù）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（líng）。對牛頓流體來說，這種速度（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（jiù）不屬於（yú）穩定流動，流 體各（gè）質點的運（yùn）動速度在大小和方（fāng）向上都隨時（shí）發生變（biàn）化，因而其速度（dù）分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層（céng）處，其速（sù）度驟降，至管壁處（chù）為零，流體在進入導管後須經一定（dìng）距離，穩定狀態方能形成，實驗測定，流體在此段內的壓力降（jiàng）總（zǒng）是比用式算出的大。這是因為聚合（hé）物熔體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一（yī）部（bù）分的結果。

這種入口（kǒu）損耗曾有人設想為（wéi）相當於一段導管所引起的損耗，事實上這（zhè）一段導管（guǎn）長度並不存在，因而稱為“虛構（gòu）長度”或“當量長度”。當量長度（dù）的長短隨具體條件而改變，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（qū）域內，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，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複（fù）又出現膨（péng）脹，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（chóng），可達一倍之多。除上述入口與出口端末效應外，還有一種現象，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“熔體破（pò）碎”。在（zài）擠出注塑加工成型中往往采用改進（jìn）成（chéng）型口模和將流量（liàng）控製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩（wěn）定流動時的速度分布，對於符合指數函（hán）數（shù）方程式的非牛（niú）頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的（de）流動狀態分析

注射成型中的流動過程，可以（yǐ）分成三個區段。第I區（qū）段是塑（sù）料物料在注射機（jī）內旋（xuán）轉螺杆與（yǔ）料（liào）筒之間進（jìn）行輸送（sòng）、壓縮（suō）、熔融塑化，並將塑化好的熔體儲存在料筒的端（duān）部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推（tuī）壓通過噴嘴、模具的主流道、分流道和澆口，開始射入型腔（qiāng）內。這一區段的特點是各段流道（dào）長徑比較大（dà），截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體（tǐ）流動的三個區段流體基本上（shàng）不發生物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經（jīng）澆（jiāo）口射入（rù）型腔過程中的流動、相變及固化。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、不穩定導熱等方麵的知識。

(一（yī）)流體在流道中（zhōng）的狀態

注射成型中，流體在第II區段的流動要經過多種截麵形狀的流道，這裏阻力變化複雜，壓力損失（shī）大，且（qiě）模（mó）具中的主流道、分流道和（hé）澆口的溫度隨時（shí）間而變化，溫度場不穩（wěn）定。盡管如此（cǐ），仍可對其（qí）分別加以分析。這裏，重要的是對塑料熔體（tǐ）流經澆口時（shí）狀態的分（fèn）析。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足量（liàng）的塑料熔體（tǐ）以較快的（de）速度注入型腔（qiāng），再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部（bù）質量（liàng）均好的注射塑件。根據實踐經驗，由（yóu）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，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切（qiē）速率範（fàn）圍（wéi）即澆口可求出澆口（kǒu）截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬（kuān）厚積Wh的範圍。由於注射機的規格已根據塑件體積選定，注射速率為（wéi）已知值，也即理想的qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺（chǐ）寸的範圍。但是它們之間不是（shì）孤立的，而是（shì）相互有影響的，改變了（le）某一個（gè）參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力（lì）保持（chí）恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持不變（biàn），如果改短澆口（kǒu）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（jiàng）減小，熔體在（zài）澆口中的流速增大，這就增（zēng）大了q,值。反映到注射（shè）螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也（yě）即注射速度加快，所以，縮（suō）短澆（jiāo）口長度，在不（bú）增大（dà）澆口（kǒu）斷麵的情況下，就能提高注射速率。同時，由於熔體在澆口中（zhōng）的流速（sù）提高，也即注射速度（dù）提高，熔體的表觀黏度也（yě）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（yǒu）關。又短澆口可以不被固封，可保（bǎo）持常開。由於（yú）以上理由，設計澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷（duàn）麵（miàn）尺（chǐ）寸 增（zēng）大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值（zhí）隨R4或Wh3成比例增長（zhǎng）。但是，澆口截麵增大了，熔體在澆口中的流速減慢，熔體的表觀黏度（dù）相應增高。所（suǒ）以，澆口截麵的增大有個極限值（zhí），這是大澆口的上限。超過此值時（shí），再增大截麵，由於表觀黏度的（de）增（zēng）大，反而使（shǐ）qv值減小。所以，澆口斷麵（miàn）尺（chǐ）寸並非越大越好。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（dà），因而表（biǎo）觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬（mǎ）馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很（hěn）小，熔（róng）體流經小澆口時流速極大，剪切速率相（xiàng）應也極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體高速（sù）流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口（kǒu）處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀（guān）黏度（dù）。但是，當剪切速率提高（gāo）到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去（qù）了依存關係，稱為失去（qù）了“剪切速率效（xiào）應”。超過此（cǐ）極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此（cǐ）時澆口的斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多（duō）數塑料來說，點澆口的直徑不（bú）大於 1.5mm,對較黏（nián）的塑料（liào）。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔體都屬於（yú）非牛頓（dùn）假塑性（xìng）流體，其表觀黏（nián）度與剪切速率的函（hán）數式可用式表（biǎo）示（shì）。即n.與y是（shì）指數函（hán）數關係，不是線型關係。如果剪切（qiē）速率再（zài）高，表觀黏度值降低還要少。所（suǒ）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，這是頗為重要（yào）的。一般來（lái）說，剪切速率取高值，黏度影響小。而且盡可（kě）能高，這是大尺寸澆（jiāo）口的（de）模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大（dà）注射量和注射速度，加大流道（dào）係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料（liào）熔（róng）體的表觀黏度也是一個有效的辦法（fǎ）。降低黏度的一種辦法是升高溫（wēn）度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合（hé）物的降解溫度，而且溫度提高將會（huì）增加塑件在模內的冷（lěng）卻時間。降低黏度的另一種辦法是提高剪切速率，提高剪切（qiē）速率也要（yào）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（lǜ）可借助於小澆口（kǒu）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（zài）充模過程中的狀態

注射成型的第（dì）皿區段（duàn）是聚合物熔體經（jīng）澆口（kǒu）射入模具型腔的過程，即（jí）充模過程。這是一個複雜的過（guò）程，一般為（wéi）非等溫（wēn）流動。由於這一注塑加工過程的分析（xī）過（guò）於複雜，在這裏（lǐ）不作進一步的闡述。