一、聚合物熔體在簡單截麵導管內的流動（dòng）

在（zài）塑（sù）料注塑加工成型過程中，經常會遇到（dào）聚（jù）合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情（qíng）況。如在（zài）注射過（guò）程（chéng）中，熔體被柱塞推動前進（jìn），從噴嘴經澆注係統注入型腔內;在擠出注塑加工成型中，熔體被螺杆擠進各種口模。研究熔（róng）體在流動過程中的流量與壓力降的關係、切應力與剪（jiǎn）切速率（lǜ）的關係、物料（liào）流速分布（bù）、端末效應等都是十分重要的（de），因為這對控製（zhì）成型注塑加工工（gōng）藝、塑件產量和質量、設計成型設（shè）備和模（mó）具都有（yǒu）直接關係。由（yóu）於非牛頓流體流變行為的複雜性，目前隻能對幾種簡單截麵導管內的流動作定量的計算（suàn）。

(一)在圓形導管內的（de）流動

為了研究聚合物熔體在圓形導管內的流動狀（zhuàng）況，假設其流體是在半徑（jìng）為R的圓形導管內作等溫穩定的層流運動，且服從指數（shù）定律（lǜ）。取距離 T 為r處的（de）流體圓柱體單元，其長度為L,當它（tā） ≈ 由左向右移動時，在流體層間產生摩擦力，於是，其中壓力（lì）降Δp與圓（yuán）柱體截麵的乘積必等於切應力т與流體層（céng）間接觸麵積（jī）的乘積，圓形導管中流動液體受力分析。由此（cǐ）看出，切應力為零，逐漸增大而在管壁處為，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（dù）分布為什麽呈拋物線形。

對於牛頓流體或非牛頓黏性流體，由於其剪切（qiē）速率隻依賴於所施（shī）加（jiā）的切應力，所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流體，由於牛頓黏性定律（lǜ）可以看（kàn）為指數方程式r=Ky”中（zhōng）n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故（gù）也可（kě）得出（chū）相應（yīng）的（de）流速、體積流量（liàng）及（jí）管壁處剪切（qiē）速率的計算（suàn）公式。線（xiàn）幾何形（xíng）狀相似，隻（zhī）是沿 軸作上下平行移動而已，因（yīn）而K'和n可相（xiàng）應視作另一個稠度和流動（dòng）行（háng）為指（zhǐ）數，也稱表觀稠度與表觀流動行為指數。

(二)在扁形導槽內的流動

當塑（sù）料熔體在等溫條件下經扁形導槽作穩定層流運動（dòng）時。在（zài）扁形導槽內取一矩形單元體，其厚度（dù）為2y,寬度取1個單位長度，長度為（wéi）L.假定扁槽上下兩麵為無限寬平行麵(扁（biǎn）槽（cáo）寬（kuān）度W應（yīng）大於扁槽上下 平行麵距離2B的（de）20倍，此時扁（biǎn）槽兩側壁（bì）對流速 的減緩作用可（kě）忽略不計)，根據（jù）力的平衡，得也就成為（wéi）牛頓流體的流動行為，即為牛頓（dùn）黏性定律方程式（shì），此處K就成為黏度n.

(三)端末效應與速（sù）度分布（bù）

如前所述，在推導流體在各種截麵流道內流（liú）動的流（liú）動方程式（shì）時，不論牛頓流體（tǐ）或非牛頓流體，都假定流動屬穩定流動狀態，切應力為零（líng），向管壁逐（zhú）漸增大，而在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向管壁逐漸減少，而在管壁處為 零（líng）。對（duì）牛頓（dùn）流體來說，這種速度分布 呈拋物（wù）線形;但是（shì），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 體各質點的運動速度在大小和方向（xiàng）上都隨時發生（shēng）變化（huà），因而其速度分布幾乎平坦（tǎn）而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度驟（zhòu）降，至管壁處為零，流體在進入導（dǎo）管後須經一（yī）定（dìng）距離，穩定（dìng）狀態方能（néng）形成，實驗測定，流體在此（cǐ）段內的壓力降總是比用式算出的大。這是因為聚合（hé）物熔體在此區（qū）域內產生彈性變形和速度調整消耗一部分的結果。

這種入口損耗曾有人設想為相當於一段導（dǎo）管所引起的損耗，事實上這一（yī）段導管長度並不存在，因而稱為（wéi）“虛構長度”或“當量長度”。當量長度的長短隨具體條件而改變（biàn），實（shí）驗證明，聚（jù）合物熔體的當量長度（dù）一般約為導管半徑的（de）6倍，在此區域內，料流已經不受導管（guǎn）約（yuē）束，料流（liú）各點速度（dù）在此重新調整為相（xiàng）等的（de）速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑（jìng）還要（yào）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，還有一種現象，即（jí）當剪切速（sù）率（lǜ）高達一定值（zhí）時，流出物表麵呈粗糙狀，剪切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能（néng）成流，很快斷裂，這種現象稱為（wéi）“熔（róng）體破碎”。在擠出注塑加（jiā）工（gōng）成型中往（wǎng）往采用改進成型口模和將流量控製在一定範圍內來（lái）解決。為了（le）分析流體在（zài）穩定流（liú）動時的速度分布（bù），對於符合指數函數（shù）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（tài）分（fèn）析

注射成型中的流動過程，可以分成三個區段（duàn）。第I區段是塑料物料在注射機內旋轉螺杆與（yǔ）料筒之間進行輸送（sòng）、壓（yā）縮、熔融塑化，並將（jiāng）塑化好的熔（róng）體儲存在料（liào）筒的端部（bù）。第II區段是儲存（cún）在料筒端部（bù）的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模（mó）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（diǎn）是（shì）各段流道長徑比（bǐ）較大，截麵一般具有簡單的幾何形狀。注（zhù）射過程中塑料熔體流動的三個（gè）區段流體基本上不發生物（wù）理、化學變化。第II區段是塑料熔體經澆口射入型腔過程（chéng）中的流動、相變及固化。這一（yī）區段（duàn）完全在模具內（nèi）完（wán）成，過程非常複（fù）雜，涉（shè）及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱（rè）等方麵的知識。

(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（guò）多種截麵形狀的流道，這裏阻（zǔ）力（lì）變化複雜，壓力損失大，且（qiě）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（dìng）。盡管如此，仍可對其分別加以分（fèn）析。這裏，重要的（de）是對塑料熔（róng）體流經澆口時狀態的分析。

注射成型的基本要求是根據型腔體積將足（zú）量的（de）塑料（liào）熔體以較快（kuài）的速度注（zhù）入型腔，再配合其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質（zhì）量均好的注射塑件。根據實踐經驗，由於注射機（jī）的規格（gé）已根據塑件體積選定，注射速率為（wéi）已知（zhī）值，也（yě）即理想的qv值已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求（qiú）出R 的範圍和寬厚積Wh的範圍。由於注射（shè）機的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（zhí）已確定，因此，根據表（biǎo）觀剪切（qiē）速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸（cùn）的範圍。但是它們之（zhī）間（jiān）不是孤立的，而是相互有影響的，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（xī）。

(1)澆口長度（dù）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，如果改短澆口（kǒu）長度L,這就使（shǐ）熔體流經澆口（kǒu）的阻力減小，也就使澆口入口與出口（kǒu）之（zhī）間的壓力降減小，熔體在澆口中的流（liú）速增大，這（zhè）就增大（dà）了q,值。反映到注射螺杆上（shàng），螺杆向前推進的速度加快，也即（jí）注射速度加快，所以，縮（suō）短澆口長度，在（zài）不增大澆口斷麵的（de）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，熔體的表觀黏度也（yě）相應降低，這是（shì）由於非牛頓流體的表觀黏度與剪切速（sù）率（lǜ）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 增大澆口斷麵有利於qv值（zhí）的增大，qv值隨R4或Wh3成比例增長。但是，澆口截（jié）麵增大了，熔（róng）體在澆口中的流（liú）速減慢，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（xiàn）值，這是大（dà）澆口的上限。超過此值時，再增大截（jié）麵，由於表觀黏度（dù）的增大，反而（ér）使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好（hǎo）。相反，點澆口之所以成（chéng）功（gōng），是因為絕（jué）大多數塑料熔體的表觀黏度（dù）是剪切速率的函數，熔（róng）體流（liú）速越快，即qv越大，它（tā）的剪切速率越大，因而表觀黏度越小，越容易注射。東莞市馬馳科注（zhù）塑加工廠 采用小澆口意味著斷麵很小，即R很（hěn）小，熔體流經小澆（jiāo）口時流速極大，剪切速率相應也極大，表觀黏度很低。另外，由於熔體高速流經小澆（jiāo）口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部（bù）溫度，也有利於降低（dī）熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提高到極限值時，剪切速率與表觀黏度失去了（le）依存關係（xì），稱為失去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速（sù）率（lǜ）再增加，表觀黏度（dù）不再降低（dī）。此時澆口的斷麵就是點澆口（kǒu）的極限尺寸。對（duì）多數塑料來說，點（diǎn）澆口的直徑不大於 1.5mm,對（duì）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用式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不是線型關係。如果剪切速率再高，表觀（guān）黏度值降低還要少。所以，東莞市（shì）馬馳科注塑加工廠要在（zài）曲（qǔ）線上選擇一段剪切速率，使它對黏度的（de）影響有利於注射，這（zhè）是頗為重要的。一般來說，剪切速（sù）率取高值，黏度影響小。而且盡可能（néng）高，這是大（dà）尺寸澆（jiāo）口的模具所難以達到的。

(4)表觀黏度 當模具充不（bú）滿時，除增大注射量和注射速度，加大流道係統尺寸以便將流量傳送至澆口外，降低塑料（liào）熔體的表觀黏度也是一個有效的辦法。降低黏度的一種辦法是升高溫度（dù），然而溫度的升高也有一（yī）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（jiā）塑件在模內（nèi）的冷（lěng）卻時間（jiān）。降低黏度的另一種辦（bàn）法是（shì）提高剪切速率，提高剪切速率也要受到聚合（hé）物的降解或燒焦（jiāo）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射壓力，也即增大切應（yīng）力或兩者（zhě）兼備。

(二)流（liú）體在充模過程（chéng）中的狀態

注射成型的第皿區段是聚合物熔體經澆口射（shè）入模（mó）具型（xíng）腔的過程，即充（chōng）模過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流動。由於這一注塑加工過程的分析過（guò）於複雜，在這裏不作進一步的（de）闡述。