入口壓降量測之孔口設計 (Design of an Orifice Die to Measure Entrance Pressure Drop)

Revised: 2022/3/22

為了得到長的毛細管段的壓降 p_cap (例如，L/D = 30.0 mm/1.0 mm)，我們可以額外透過一個管長 L 接近零的孔口模具 (orifice die；例如，L/D = 0.2 mm/1.0 mm)，取得塑料自料管 (barrel) 收縮至毛細管入口端所造成的入口壓降 p_ent (entrance pressure drop)。接著，我們將長的毛細管之整體壓降 p_tot 扣除孔口模具之入口壓降 p_ent，即可得到毛細管段的壓降 (p_cap = p_tot - p_ent)，進而得到壁剪切應力 (wall shear stress, τ_w = p_capR/2L) 及黏度。

Figure 1a 是早期的孔口設計，其缺點是高流率時，擠出的塑料非常容易接觸模具的出口區，此潤濕的現象 (wetting) 將造成背壓 (counter pressure) 的貢獻，影響量測。為了改善此缺點，Kim 和 Dealy (2001) 設計 Fig. 1b 的孔口模具，將模具出口寬度由 4.9D₀ 增加至 8–16 D₀。

Figure 2 比較使用 Fig. 1a、Fig. 1b 的孔口模具所得到的入口壓降 p_ent，兩者誤差可達 0.5–1.5 MPa。改良後的孔口模具 (Fig. 1b) 在高的表觀剪切率下，確實可以降低 wetting 造成的背壓，得到比較正確 (較低) 的壓降值。欲了解更多孔口模具的設計概念，請參考下方文獻。

Reference: S Kim and JM Dealy, "Design of an orifice die to measure entrance pressure drop," J. Rheol. 45, 1413 (2001).