一、聚合（hé）物（wù）熔體在（zài）簡單（dān）截麵導管內的流（liú）動

在塑料注塑加工成（chéng）型過程中，經（jīng）常會遇到聚合物熔體在各種幾何形（xíng）狀導管內流動的情況。如在注射（shè）過（guò）程中，熔體被柱塞推動前進，從噴嘴經澆（jiāo）注（zhù）係統注入型腔內;在擠出注塑（sù）加工成型中，熔體被螺杆（gǎn）擠進各種口模。研究熔體（tǐ）在流（liú）動過（guò）程中的流（liú）量與壓力降的關係、切應力與剪（jiǎn）切速率（lǜ）的（de）關係、物（wù）料流速分布、端末效（xiào）應等都是（shì）十分重要的，因（yīn）為這對控製成型注塑加工工藝、塑件產量和質量、設計成型設備和模具都（dōu）有直接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種（zhǒng）簡單截麵導管（guǎn）內的流動（dòng）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（xíng）導管內的流動（dòng）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（qiě）服從指數定律。取距離 T 為r處的流體圓柱體單元，其長度為L,當它 ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必（bì）等於切應力т與流體層間接觸麵積的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此看出，切應力為零，逐漸增（zēng）大而（ér）在管壁處為，據（jù）此進一步推導的結果，又可說明流（liú）體在（zài）圓形導管（guǎn）內的速度分布為什麽呈拋物線（xiàn）形。

對（duì）於牛頓流體或（huò）非牛頓黏性流體（tǐ），由於其剪切速率隻依賴於所施加的切應力，所以，可用下麵函數（shù）關（guān）係來表（biǎo）示，對（duì）於牛頓流體，由於（yú）牛頓黏性定律可以看為（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（yě）可得出相應的流速、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速（sù）率的計算公式。線幾何形狀相似，隻是沿 軸作上下平行（háng）移動而已，因而（ér）K'和n可相應視作另一個稠度和流（liú）動（dòng）行為（wéi）指數，也稱表觀稠度與表觀（guān）流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑料熔體在等溫條件（jiàn）下經扁形導槽作（zuò）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，長度為L.假定扁槽上下（xià）兩麵為無限寬平行麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵距離2B的20倍，此時（shí）扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據力的（de）平衡，得也就成為牛頓流體（tǐ）的流動行為，即為牛（niú）頓黏（nián）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

如前所述，在（zài）推導流體在各種截麵流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流體或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流（liú）動狀態，切應（yīng）力為零，向管壁逐（zhú）漸增大，而在管壁處（chù）為。因而，流體在導管內的（de）速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在（zài）管壁處為 零。對牛頓流體來說，這種速度分布 呈（chéng）拋物線形;但是，當流體由儲槽、大管進入導管內時就不屬於（yú）穩定流動，流 體各（gè）質點的運動速度（dù）在大小和方向上都隨時發生變化，因而其速度分布幾乎（hū）平坦而（ér）成一（yī）直線。隻有貼近管（guǎn）壁極薄一層液層處（chù），其速度驟降，至管壁處為零，流體在進入（rù）導管後須經一定距離，穩定狀態方能形（xíng）成，實驗測定，流體在此段內的壓力降總是比（bǐ）用式算出的大。這是（shì）因為聚合物（wù）熔體在此區域內產（chǎn）生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種（zhǒng）入口損耗曾有人設想為相當於一段導管所引（yǐn）起的損耗，事實（shí）上這一段導管長度並不存在，因而稱為“虛構（gòu）長度”或“當量長度”。當（dāng）量長度的長（zhǎng）短隨具體（tǐ）條件（jiàn）而改變，實驗證明（míng），聚合物熔體的當量長度一般約為（wéi）導管半徑的6倍，在此區域內，料流已經不受導管約束，料流各點速度在此（cǐ）重新調整為（wéi）相等的速度。

另外（wài），在出口（kǒu）區，假塑性（xìng）流體繼收縮之後由於（yú）彈性恢複又出現膨脹，而且脹至（zhì）比導管直徑還要大。當（dāng）流出速度恒定時，導管越短，膨脹越（yuè）嚴重，可達一倍之多（duō）。除上述入口與出口端（duān）末效應外，還有一種（zhǒng）現象（xiàng），即（jí）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（chū）物（wù）越粗（cū）糙，甚至不能（néng）成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔體破碎”。在擠出注塑加工成型中往往采用改進成型口模和將流量控製在一定（dìng）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（chéng）式（shì）的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中（zhōng）的流動狀態分析

注（zhù）射成型中的流動過程，可以分成三個區段。第I區段是塑料物（wù）料在注射（shè）機（jī）內旋（xuán）轉（zhuǎn）螺杆與料筒之間（jiān）進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將（jiāng）塑化好的熔體儲（chǔ）存在料筒的端部。第II區段（duàn）是儲存在料筒（tǒng）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（liú）道和澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道（dào）長（zhǎng）徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡單的幾何形（xíng）狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本上不發生物理、化學變化（huà）。第II區段是塑料熔體經澆口射入（rù）型腔過程中的流動、相變及固化。這（zhè）一區段（duàn）完全在模具內完成（chéng），過程（chéng）非常複雜，涉及三維流動（dòng）、相遷移理論、不穩定導熱等方（fāng）麵的知識。

(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種（zhǒng）截麵形狀的流道，這（zhè）裏阻力變化（huà）複雜，壓力損失大，且模具中的主流道、分流道和澆口的溫度隨時間而變化，溫度場不穩定。盡管（guǎn）如此，仍可對其分（fèn）別加以（yǐ）分析。這裏，重要的是對塑料熔（róng）體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要（yào）求是根據型腔體積將足量的塑料熔（róng）體以較快的速度注入型腔，再（zài）配合（hé）其他各種條件，效率地生產出外觀和（hé）內部質量均好的注射塑（sù）件。根（gēn）據實踐經驗，由於（yú）注（zhù）射機（jī）的規格已根據塑件體積選定，注射速率（lǜ）為已知（zhī）值，也即理想的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。也即求出（chū）R 的範圍和寬（kuān）厚積Wh的範圍（wéi）。由於注射機的（de）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，因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆（jiāo）口截（jié）麵尺寸的（de）範圍。但是它們之間不是孤立的，而（ér）是相互有影響（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（jiāo）口（kǒu）長度L 當注射壓力保持恒定時，則澆口入（rù）口處的壓力p1,保持不變，如果（guǒ）改短澆口長度L,這就使熔體流經澆口的阻力減小，也就（jiù）使澆口入（rù）口與（yǔ）出口之間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，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，也即注射速度加快，所以，縮短澆口長度（dù），在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高注射（shè）速率。同時，由於熔體在澆口中（zhōng）的流速提（tí）高，也（yě）即注射速度提高，熔體的（de）表觀黏度也相應降低，這是由於非牛（niú）頓流體（tǐ）的表觀黏度與（yǔ）剪切（qiē）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（jì）澆口長度L時，總是取值。

(2)澆口斷麵尺寸 增大澆口斷麵有利於qv值的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截麵增大了，熔體（tǐ）在澆口中（zhōng）的流速減慢，熔體的表觀黏（nián）度相（xiàng）應增高。所以，澆口截麵的（de）增大有個極限（xiàn）值，這（zhè）是大澆口的上限。超過此值時，再增大截（jié）麵（miàn），由於表觀黏度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非（fēi）越大（dà）越好。相反，點澆口之所（suǒ）以成功，是（shì）因（yīn）為絕大多數塑料熔體（tǐ）的表觀（guān）黏度是剪切速率的函數，熔（róng）體流速越快，即（jí）qv越大，它的剪切速率越大（dà），因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞（wǎn）市馬馳科注塑加工廠（chǎng） 采用小澆口（kǒu）意味著斷麵（miàn）很小，即R很小，熔體流經小（xiǎo）澆口時（shí）流速極大（dà），剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另（lìng）外，由於熔體（tǐ）高速流經小澆口，部分轉變為熱能，遂（suí）提高了澆口處的局部溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率（lǜ）提（tí）高到極限值時，剪（jiǎn）切速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（guò）此極限值時，剪切速率再增加，表觀黏度不再降低。此時澆口的斷（duàn）麵就是點澆（jiāo）口的極限尺寸（cùn）。對多數塑料來說，點澆口的直徑不大（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（liào）熔體都屬於非牛頓假塑性流體，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（zhǐ）數函數關係，不是（shì）線型關係。如果剪切（qiē）速率再（zài）高，表觀黏度值降低還要少。所以，東莞市馬馳科注（zhù）塑加工廠要在曲線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的影（yǐng）響有利於注射，這是頗為重要的（de）。一般來說，剪切（qiē）速率取高值，黏（nián）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)表觀黏度 當模具充不滿時，除增大（dà）注射量和（hé）注射（shè）速度（dù），加大流道（dào）係統尺寸以便將流（liú）量傳送至澆口外（wài），降（jiàng）低（dī）塑料熔體的（de）表觀黏度也是（shì）一個（gè）有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度，然（rán）而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚合物的降解溫度，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（de）另一（yī）種（zhǒng）辦法是提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合物的降解或（huò）燒焦以及“熔（róng）體破碎”可能（néng）性的限製。提高剪切速率可借助於小澆口尺寸或增大注射壓力，也即增大切應力或兩者兼（jiān）備。

(二)流體在充（chōng）模（mó）過程中的狀態

注射成型的第皿區段是聚（jù）合物熔（róng）體經澆口射（shè）入模具（jù）型腔（qiāng）的過程，即充模（mó）過程（chéng）。這是一個複（fù）雜（zá）的過程，一般（bān）為非等溫流動（dòng）。由於這一注塑加工（gōng）過程的分析過於複雜，在這裏不作進一步的闡（chǎn）述。