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2020年7月30日

入口壓力降 (Entrance Pressure Drop)

對於熔態高分子 (molten polmers),其由貯槽 (reservoir) 進入毛細管 (capillary) 的典型壓力分佈如 Fig. 8-7 所示 (或 Fig. 2.12)。我們可以注意入口區 (entrance region) 有一個很大的壓降 (a large pressure drop),但是當進入毛細管約一個半徑的長度之後 (z/R ≈ 1),壓力梯度很快達到一個定值 (直線)。於毛細管出口有一個很小的殘餘壓力 (residual pressure),稱為出口壓力 (exit pressure)。



流體自貯槽流經毛細管,最後流出至大氣壓力 (ambient pressure) 之總壓力降 (total pressure drop) 可以由三個成分組成
(1)

其中,P是驅動壓力、P大氣壓力、Pent 入口流的過壓壓力降、Pcap 毛細管全展流的壓力降、Pex 出口流的過壓壓力降。

因為對於牛頓流體在低雷諾數時 (low Reynolds numbers),Pent 非常小且 Pex 是零,故,上述兩個「過壓」壓力 (excess pressure drops) 可反應高分子熔體的彈性 (elasticity)。

不過,對於毛細管,由於 Eq. 1 的 PentPcapPex 不易取得,故一般改採用 Bagley 端點修正 (Bagley end correction; Fig. 8-8),得到不同表觀剪切率的端點修正量 "e",最後由下式估算真實的壁剪切應力
(2)
另一個方法是雙模具方法 (two-die method),它結合一個較長的毛細管 (e.g., L/R = 32),和一個半徑相同但長度趨近於零的孔口 (orifice; L/R  0),孔口的總壓力降可視為合理的 Pends (= Pent Pex),然後再將長毛細管的總壓力降扣除 Pends (Eq. 1),取得毛細管的 Pcap


特別注意,以上的討論忽略黏度的溫度壓力相依性 (dependence of viscosity on temperature and pressure),若毛細管內的溫度和壓力變化程度很大時 (高流率下),Figure 8-7 的壓力梯度將不再是直線


References: 
(1) JM Dealy, KF Wissbrun, Melt Rheology and Its Role in Plastics Processing: Theory and Applications, 1st ed (Kluwer 1990).
(2) FN Cogswell, Polymer Melt Rheology: A Guide for Industrial Practice (Woodhead 1981).

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