一、聚合物熔體在（zài）簡單截麵（miàn）導管內的流動

在塑料注塑加工成型過程中，經常會遇到（dào）聚合物熔體在各種幾何形狀導管內流動的情況。如在注射過程中，熔體被柱塞推動（dòng）前（qián）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）進各種口模。研（yán）究熔體在流動過程中的流量與壓力降（jiàng）的關係、切應力與剪切速率的關係、物料流速分布、端末效（xiào）應等都是十分重要（yào）的，因為這對控製（zhì）成型注塑加工工藝、塑件產量和（hé）質量、設計成型設（shè）備和模具都有直（zhí）接關係。由於非牛頓流體流變行為的複雜（zá）性，目前隻能對幾種簡（jiǎn）單截麵導（dǎo）管內的流動作定量的計算。

(一)在圓（yuán）形導管內的流動

為了研（yán）究聚合物熔體在圓形導管內的（de）流動狀況，假設其流體是在半徑（jìng）為R的圓形導管內作等溫（wēn）穩定的層（céng）流運動，且服從指數定律。取距離 T 為r處的（de）流體（tǐ）圓柱體單元（yuán），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（shì），其（qí）中壓力降Δp與圓柱體截麵的乘積必等於切（qiē）應力т與流體層間（jiān）接觸（chù）麵積的（de）乘積，圓形導管中流動液體受（shòu）力分析（xī）。由此看出，切應力為零，逐漸增大而在管（guǎn）壁處為，據此進一步推導的結果，又（yòu）可說明流體（tǐ）在圓形導管內的速度分布為什麽呈拋（pāo）物線形（xíng）。

對於（yú）牛頓流體（tǐ）或（huò）非牛（niú）頓黏性流體（tǐ），由於其剪切速率隻依賴於所施加的切應力（lì），所以，可用下麵函數關係來表示，對於牛頓流（liú）體，由（yóu）於牛頓黏性定律可以看為指數方程式r=Ky”中（zhōng）n=1時的特例，此時牛頓黏度η=ド，故也可得出相應（yīng）的流速（sù）、體積流量及管壁處剪（jiǎn）切速率的計算公式。線（xiàn）幾何形狀相似（sì），隻是沿 軸作上下平行移動而已，因而K'和n可相應視作另一個稠度和（hé）流動行為指數，也稱表觀稠度與表觀流動行為（wéi）指數。

(二（èr）)在扁形導槽內的流動

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（nèi）取一矩形單元體，其厚（hòu）度為2y,寬度取1個單位長度，長度為L.假定扁（biǎn）槽上下兩麵為無限寬平行（háng）麵(扁槽寬度W應大於扁槽上下 平行麵（miàn）距離（lí）2B的20倍，此時扁槽兩側壁對流速 的減緩作用可忽略不計)，根據（jù）力的平衡，得也就成為牛頓流體的（de）流動行為，即為（wéi）牛頓黏性定律方程式，此處K就成（chéng）為黏度n.

(三)端末效（xiào）應與速度（dù）分布（bù）

如前所述，在（zài）推導流體在各種截麵（miàn）流道內流動的流動方程式時，不論牛頓流（liú）體或非牛頓流體，都假定流動（dòng）屬穩定流動狀態，切應力為零，向（xiàng）管壁逐漸增大，而（ér）在管壁處為。因而，流體在導管內的速度分布為零，向（xiàng）管壁逐漸減少，而在管壁處為 零。對牛頓流體來（lái）說，這種速度分布 呈拋物線形;但是，當流體由（yóu）儲槽、大（dà）管進入導管內時就不屬於穩定流動（dòng），流（liú） 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（dù）分布幾乎平（píng）坦而成一直線。隻有貼近管壁極薄一層液層處，其速度（dù）驟降（jiàng），至管（guǎn）壁處為零，流體在進入導管後須經一定距離，穩定狀態方能形成，實驗測定（dìng），流體在此段（duàn）內的壓力降總是比用式算出的大。這是（shì）因為聚（jù）合物熔體在此區域內產生彈性（xìng）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管所引起的損耗，事實（shí）上這（zhè）一段導管（guǎn）長度並不存在，因而稱為“虛構長度”或（huò）“當量長度”。當量長（zhǎng）度的長短隨（suí）具體（tǐ）條件（jiàn）而改變，實驗（yàn）證明，聚合物熔體的當量長度一般約為導管半徑的6倍，在此區域內（nèi），料流（liú）已經不受導管約束，料（liào）流（liú）各點速度在此重新調整為相（xiàng）等的速度。

另外，在出口區，假塑性流體繼收縮之後由於彈性恢（huī）複又出現膨脹，而且脹至比導管直徑還要大。當流出速度恒定時（shí），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（xiào）應外（wài），還有一（yī）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（jiǎn）切速率越大，流出物越粗糙，甚至不能成流，很快斷裂，這種現象稱為“熔（róng）體（tǐ）破碎”。在（zài）擠出注塑加工（gōng）成（chéng）型中往往采用改進成型口模和（hé）將流量控製在一定範圍內（nèi）來（lái）解決。為（wéi）了分析流體在穩（wěn）定流動時的速度分布，對於符合（hé）指（zhǐ）數函數方（fāng）程式的非牛頓流體和牛頓流體。

二、注射成型中的流（liú）動狀態（tài）分析

注射成型中的流（liú）動過程，可以分成三個區段。第I區段是（shì）塑料物料（liào）在注射機（jī）內旋（xuán）轉螺杆（gǎn）與料筒之間進行輸送、壓縮、熔融塑化，並將（jiāng）塑化好的熔體儲存在料筒（tǒng）的端部。第II區段是儲存在料筒端部的塑料熔體受螺杆的向前推壓通過噴嘴、模具的主流道（dào）、分流道和（hé）澆口，開始射入型腔內。這一區段的特點是各段流道長徑比較（jiào）大，截（jié）麵一般具有簡單（dān）的幾何形狀。注射過程中塑料熔體流動的三個區段流體基本（běn）上不發生物理、化（huà）學變化。第II區段是塑（sù）料熔體經澆口射入型腔過程中（zhōng）的流動、相（xiàng）變及固化。這一區（qū）段完全在模具內完成，過程非常複雜，涉及三維流動、相遷移理論、不穩定導熱等方麵的知識。

(一)流體在流道中的狀態

注射成型中，流體在第II區（qū）段的流動（dòng）要經過（guò）多種截麵（miàn）形狀的（de）流道，這裏阻（zǔ）力（lì）變化複雜，壓力損失大，且模具中的主流道（dào）、分流道和澆口的溫度隨（suí）時間而（ér）變化，溫度場不穩定。盡管如此（cǐ），仍可對其分別加以分析（xī）。這裏，重要的是對塑料熔體流經澆口時（shí）狀態的分析。

注射成型的基本（běn）要求是（shì）根據型腔體積將足量的塑（sù）料熔體以較快的速（sù）度（dù）注入型腔，再配合（hé）其他各種條件，效率地生產出外觀和內部質量均好的（de）注射塑件。根（gēn）據實踐經驗，由於注射機的規（guī）格已根據（jù）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（dìng），因此，根據表觀剪切速率範圍即澆口可求出澆口截麵尺寸的範圍。也即求出R 的範圍和寬厚（hòu）積Wh的範圍。由於注射（shè）機的規格已根（gēn）據（jù）塑件體積選定，注射速（sù）率（lǜ）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（jí）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，而是相互有影響的（de），改（gǎi）變了某一個（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（zhù）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（kǒu）長度（dù）L,這（zhè）就使熔（róng）體流經澆口的阻力減（jiǎn）小，也就使澆口入口與出口之（zhī）間的壓力降減小，熔體在澆口中的流速增大，這就增大了q,值。反（fǎn）映到（dào）注射螺杆上，螺杆向前推進的速度加（jiā）快，也即注射速度加（jiā）快（kuài），所以，縮短澆口長（zhǎng）度，在不增大澆口斷麵的情況下，就能提高（gāo）注射速率。同時，由於熔體在澆口中的流速提高，也即注射速（sù）度（dù）提高，熔體（tǐ）的表觀黏度也相應降低（dī），這是由於（yú）非牛（niú）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（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，澆口截麵的（de）增大（dà）有個極限值，這是大澆口的上限。超過此值時，再增大截（jié）麵，由於表觀黏（nián）度的增大，反而使qv值減小。所以，澆口斷麵尺寸並非越大越好。相反，點澆口之所以成功，是（shì）因為絕大（dà）多數塑料熔體的表觀黏度是剪切速率的函數，熔體（tǐ）流速越快，即qv越大，它的剪切速（sù）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（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（nián）度很（hěn）低。另外，由（yóu）於熔體高速流經（jīng）小（xiǎo）澆口，部分轉變為熱能，遂提高了澆口處的局部（bù）溫度，也有利於降低熔體的表觀黏度。但是，當剪切速率提（tí）高到極（jí）限（xiàn）值時（shí），剪切（qiē）速率與表觀黏度失去了依存關係，稱為失（shī）去了“剪切速率效應”。超過此極限值時，剪切速率再增加，表觀（guān）黏度不再降低（dī）。此（cǐ）時澆口的（de）斷麵就是點澆口的極限尺寸。對多數塑料來說（shuō），點（diǎn）澆口的直徑（jìng）不大於 1.5mm,對較黏的塑料。

(3)選（xuǎn）擇（zé）合理（lǐ）的剪切速率 因為大多數塑料熔體（tǐ）都屬於非牛頓假塑性流（liú）體，其表觀黏度與剪切速率的函（hán）數式可用（yòng）式表示。即n.與y是指數函數（shù）關係，不是線（xiàn）型關係。如果剪切速率再高，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（zài）曲線（xiàn）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（wéi）重（chóng）要的。一般來說，剪切速（sù）率取（qǔ）高值，黏度影響小（xiǎo）。而且盡可能高，這是大尺寸澆口的模具（jù）所難以達到的（de）。

(4)表觀黏度 當模具充不滿時，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（jiàng）低塑料熔（róng）體的表觀黏度也（yě）是一個有效（xiào）的辦（bàn）法（fǎ）。降低（dī）黏度的一種辦法是升（shēng）高溫（wēn）度，然而溫度的升高也有一定限製，不能高於聚（jù）合物的降解溫度，而且（qiě）溫度提高將會增加塑件在模內的冷卻時間。降低黏度的另一種辦法是提（tí）高剪切速（sù）率，提高剪切速率也要（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（dà）切應力（lì）或兩者兼備。

(二)流體在充模過程中的狀態

注（zhù）射成型的第皿區段是聚合物熔體經（jīng）澆口射入模具型腔的過（guò）程，即充（chōng）模（mó）過程。這是一個複雜的過程，一般為非等溫流（liú）動。由於這一注塑加工過程的分（fèn）析過於複（fù）雜，在這裏不作進一（yī）步的闡述。