一、聚合物熔（róng）體在簡單截麵導（dǎo）管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流（liú）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腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠（jǐ）進各種（zhǒng）口模。研究熔體在流動過程中的流量與壓力（lì）降的關係、切應力與剪切速率的關（guān）係、物（wù）料流速分布（bù）、端末效應等都是十分重要（yào）的，因為這對控製（zhì）成型注塑加工（gōng）工藝、塑件（jiàn）產量和質量、設計成型設備和（hé）模（mó）具都有直接（jiē）關係。由於非牛頓流體（tǐ）流變行為（wéi）的複雜（zá）性（xìng），目前隻能對幾種簡（jiǎn）單截麵導管（guǎn）內的（de）流動作定量的計算。

(一)在圓形（xíng）導管（guǎn）內的流（liú）動

為了研究（jiū）聚（jù）合物熔（róng）體在圓形導管內的流動狀況，假設（shè）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（cóng）指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動（dòng）時，在流體層間產生（shēng）摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘（chéng）積（jī）必等於切應力т與流體層間接（jiē）觸麵積的乘積，圓形導管（guǎn）中（zhōng）流（liú）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，據此進一步推導的結果，又可說（shuō）明流體在圓形導管內的速度分布為什（shí）麽呈（chéng）拋物線（xiàn）形。

對於牛頓流體或（huò）非牛頓黏性流體，由於其剪（jiǎn）切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可（kě）用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體（tǐ），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，故也可得出相應（yīng）的流速、體積流量及管壁處剪切速率的（de）計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另（lìng）一個稠度和流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形（xíng）導（dǎo）槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動時。在扁形導槽內取一矩形（xíng）單元體，其厚度為2y,寬度取1個單位長（zhǎng）度，長度為L.假定扁槽上下兩麵為無（wú）限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此（cǐ）時扁槽兩（liǎng）側壁對流速 的（de）減緩作用可忽略不計)，根據力的（de）平（píng）衡，得也就成為牛頓流體的流動（dòng）行為，即為牛頓黏性定律方程式，此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速度分布

如前所（suǒ）述，在推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程（chéng）式時，不論牛頓流體或非（fēi）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，而在管壁處為。因而（ér），流體在導管內（nèi）的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁（bì）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（yóu）儲槽、大管進入（rù）導管內時就（jiù）不屬於穩定流動（dòng），流 體各質點的運動速度在大小和方向上都隨時發生變化（huà），因而其速度分布幾乎平坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟降，至（zhì）管壁處為零（líng），流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實（shí）驗測定，流體在此段內的壓力降總（zǒng）是比用式算出的大。這是因為聚合物熔（róng）體在此區域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有（yǒu）人設想（xiǎng）為相當於一段導（dǎo）管所引起的損耗，事實上這一段導管長度並不（bú）存在，因而稱為“虛構長度”或“當（dāng）量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變（biàn），實驗證（zhèng）明，聚合物（wù）熔體的當量長（zhǎng）度一般約為導管半徑的6倍，在（zài）此（cǐ）區域內，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，在（zài）出口（kǒu）區，假塑性（xìng）流體繼收縮之後（hòu）由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比（bǐ）導管直徑（jìng）還要大。當流出速度恒定時，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（wài），還有一種現象，即當剪切速率高達一定值時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不（bú）能成流，很快斷裂，這種現象稱為（wéi）“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成（chéng）型口模和將流（liú）量控（kòng）製在一定範圍內來解決。為了分析流體在穩定流動時的速度分布，對於符（fú）合指數函（hán）數方程式的非牛頓（dùn）流體和（hé）牛頓流（liú）體。

二、注射成型（xíng）中的流動（dòng）狀態分析

注射成型中的流動過程，可以（yǐ）分成三個（gè）區段。第（dì）I區（qū）段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與料筒之間（jiān）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區段是儲存在料筒（tǒng）端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通（tōng）過噴嘴（zuǐ）、模具的主流道、分（fèn）流道和澆口，開始射（shè）入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流（liú）動（dòng）的三個區段流體基本上不發生（shēng）物理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程中的流動、相變及固化。這一區段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流（liú）動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在（zài）流道中的狀態

注射成型中（zhōng），流體在第II區段的流動要（yào）經過多種截麵形狀的流道，這（zhè）裏阻力變化複雜（zá），壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度（dù）隨時間而變化，溫度場不穩定。盡（jìn）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體以較快的速度（dù）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。根據實踐經驗，由（yóu）於注射機的規格已根據塑件體積選定（dìng），注射速（sù）率為已知值，也即理想的（de）qv值（zhí）已確定（dìng），因此，根據（jù）表觀剪切速率範圍即澆口可求出（chū）澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的（de）範圍和寬厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的規格已根（gēn）據塑件體積選定，注射速率（lǜ）為已知值，也即理想的（de）qv值已確定，因此，根據表觀剪切速率（lǜ）範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。但是它們之間不是孤立的，而是相（xiàng）互有影響（xiǎng）的，改變了某一個參數，其他參數也隨之而變。下麵分別進行分析。

(1)澆口長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入口處的壓力p1,保持（chí）不變（biàn），如果改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減（jiǎn）小，也就使澆口入口與出口之間的（de）壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反映到（dào）注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加快，也即注射速度加快，所以（yǐ），縮短澆口長度，在不增大澆口斷（duàn）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（tǐ）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，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有（yǒu）利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增（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，澆口截（jié）麵的增大（dà）有個極限值，這是大澆口（kǒu）的上限。超（chāo）過此值時（shí），再增大截麵，由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以（yǐ），澆口斷麵尺寸並（bìng）非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是因（yīn）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（dà），它的剪切（qiē）速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很小，熔體流經小澆口（kǒu）時流（liú）速極（jí）大，剪切速（sù）率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔（róng）體高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部溫度（dù），也有利於降低（dī）熔（róng）體的（de）表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限（xiàn）值時，剪（jiǎn）切速率與表觀黏度失去了依存關係，稱（chēng）為失去了“剪切速率效應”。超（chāo）過此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的（de）斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說，點澆（jiāo）口的直徑不（bú）大（dà）於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選擇合理的剪切速率 因為大多數塑料熔（róng）體（tǐ）都屬於（yú）非牛頓假塑性流體，其表（biǎo）觀黏度與剪切速率（lǜ）的函數式可用式表示。即n.與y是指（zhǐ）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（dōng）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，這是大尺寸澆口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不滿（mǎn）時，除增大注射量和注射速（sù）度，加大流道係統尺寸（cùn）以便將流量傳送至澆口外，降低（dī）塑料熔（róng）體的表觀黏度也（yě）是一個有（yǒu）效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降（jiàng）解溫度，而且溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的另一（yī）種辦法是提高（gāo）剪切（qiē）速率，提高剪切速率（lǜ）也要受（shòu）到聚合物的降解或燒焦以及“熔體破碎”可能性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注（zhù）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（chéng）型的第皿區段是聚合（hé）物熔（róng）體經澆口射入（rù）模具型腔（qiāng）的過程，即充模過程。這是（shì）一個複雜的過程，一般為非等（děng）溫流動。由於這一注塑加工過程的分析（xī）過於複雜，在這（zhè）裏不作（zuò）進一（yī）步的闡述。