共押出製程問題

多層膜之界面缺陷會大幅影響產品性質，如透明度(transparency)、層 間接著力(layer adhesion)等，如圖 1-3[29]。而塑料之基本流變性質及流動行 為是決定界面缺陷產生之關鍵，但高分子在流動時，其黏度會隨著剪切力 的改變而改變，並非是一個定值因此高分子流變性質對於設計共押出模具 及進料區塊極為重要，且當選擇共押出產品之材料時必須考慮到塑料之流 動行為，以減少界面缺陷之產生。一般傳統加工中，均是以經驗及試誤法 (trial and error)調整加工參數來解決共押出製程之界面缺陷問題，相當費時 費力及消耗成本，而且相關變數太多，很難在短時間就找出最佳化的製程 條件，因此在要求高精密度之加工製程中，必須藉助模擬分析解決，而在 共押出中成形中，最常遇見的問題，可分為以下兩類

(1)界面不穩定現象(Interfacial Instability)

(2)層間不均勻性(Layer-To-Layer Non-Uniformity)

以下我們將就這兩個問題探討：

(A)

(B)

圖 1-3 界面不穩定對膜之清晰度影響_[29]

(A)近距離清晰度 (B)相隔 3 英吋遠清晰度

1.2.1 界面不穩定現象(Interfacial instability)

非牛頓流體之黏度為押出溫度及剪切率之函數，而押出溫度及剪切率 之函數在模具內會不斷改變，特別是當塑料為靠近壁面處之外層塑料更會 有極大之剪切率，因此也造成流動不穩定(flow instability)現象發生。流動

不穩定會造成流體界面扭曲，甚至於不同層塑料之內部混合(intermixing)。

界面不穩定現象包括高度不規律之鋸齒形不穩定(zig-zag instability)及較規 律之波浪形不穩定(wave instability)。鋸齒形不穩定為小振幅高頻率之界面 缺陷，而波浪形不穩定為高振幅低頻率之界面缺陷，如圖 1-4_[8]。

圖 1-4 界面不穩定現象_[8](A)鋸齒形 (B)波浪形

(a)

(b)

最常見之界面不穩定現象為鋸齒形不穩定，其鋸齒尖端指向於流體流 動方向。當流速極低時，界面相當平穩，無任何流動不穩定現象，如圖

1-5[6](A)。當流速增加，界面逐漸開始出現波浪般之震幅，但仍不明顯且可 能不至於影響薄膜性質，如圖 1-5(B)。而當流速極大時，界面扭曲現象明 顯變得極為嚴重。當愈多波浪形震幅發生，模具內之速度梯度會將波峰往 前推擠成為似摺痕之狀況，愈多摺痕使流體界面愈雜亂甚至出現不同層塑 料之內部混合，此現象稱為鋸齒形不穩定現象，如圖 1-5(C)。Schrenk_{[5, 6]}

亦指出押出多層膜之鋸齒型不穩定是由界面間過大的剪切應力造成。

(A) (B)

(C)

圖 1-5 鋸齒形(zig-zag)不穩定現象示意圖_[8]

界面初形成時，是波浪形不穩定是否發生之關鍵，因上下層不同塑料 之流速及流變性質差異，使進料區塊內部流體匯合處發生波浪形不穩定現 象。此不穩定現象如同一連串橫跨於寬度方向之拋物線，向流動方向凸 出。當外層塑料厚度相對於內層塑料較薄時，波浪形不穩定更易發生。鄰 近層間塑料之拉伸黏度差異亦是波浪形不穩定發生原因之ㄧ。流動系統或 幾何之不對稱性更使得波浪形不穩定愈加嚴重。

1.2.2 層間不均勻性(Layer-to-layer non-uniformity)

由於不同高分子塑料擁有不同之流變參數，故其流動特性也不相同，

當以兩種或兩種以上不同之高分子塑料同時押出時，流體界面會因上下層 流體之流動特性差異而產生包覆現象，一般傳統加工皆是將成品邊緣裁切 丟棄，如圖 1-6[9]。黏度為影響包覆現象原因之ㄧ，低黏度之塑料會流向高 剪切率之壁面並包覆高黏度之塑料。高分子彈性對於界面包覆現象之影響 亦相當重要_[9-13]，彈性性質明顯之高分子塑料會產生垂直於押出方向之二 次流動(secondary flow)，進而使流體界面產生包覆現象，且流動路徑愈長 包覆程度愈加明顯至完全包覆，如圖 1-7_[14]。

圖 1-6 界面包覆現象示意圖[9]

出口截面包覆角度

(℃ )

無因次化流道長度

(L/D)

高黏度塑料 低黏度塑料

圖1-7 界面包覆發展示意圖[14]