包覆現象(Encapsulation phonemena)分析

在過去之研究中，包覆現象的產生可有下列兩種原因:一為雙層高 分子塑料其本身因黏度的不同所造成之包覆現象，已被認為是影響包 覆現象之主要因素，黏度低之流體會包覆黏度高之流體，形成一彎曲 之流體界面，因此本論文亦將探討有關黏度對包覆現象之影響;另一 為二次流動的產生(secondary flow)所造成之包覆現象，二次流動現象 可解釋為雙層高分子熔膠在各自流道模壁面之剪切應力極大，造成流 體產生極大的拉伸，而後進入截面積較大之矩型流道，雙層高分子熔 膠因應力釋放會試圖產生膨脹(swell)，而產生二次流動(secondary flow)，此時流體會呈逆時鐘旋轉將流體界面中央頂起而界面兩端凹 下，形成一流體包覆另一流體之包覆現象，且隨著流道長度增加，模 壁面剪切應力上升，流體拉伸程度增加，造成包覆程度也隨之增加。

過去的文獻中，也有許多對二次流動所產生之包覆現象做探討，

其中Everage[11]之研究指出包覆現象可分為兩個步驟，第一步驟是發 生在流體匯流處因流體重整(fluid rearrangement)產生之初始界面 包覆現象；第二步驟則是隨著流道增長而逐漸增加之包覆度。其中，

流體重整是因雙層高分子塑料在各自流道壁面產生極大拉伸變形 後，進入較寬廣之進料區塊雙層流道匯流處，使得雙層高分子塑料因 應力釋放而如彈性固體般試圖恢復原形。此黏彈性行為是因高分子塑

料在熔融狀態時，分子鏈呈現雜亂捲曲型態，當受到外力作用時，將 允許分子鏈移動或滑動。然而，相互糾纏之分子鏈當施加外力或解除 外力時會表現出彈性固體般的行為。在應力釋放後，分子鏈會承受一 恢復應力，使分子鏈回到雜亂捲曲之平衡狀態。流體重整現象使得流 體產生顯著之正向應力，其中第一正向應力差(N

1)即為造成波浪形不 穩定之原因，而因第二正向應力差(N

2)之影響，流體產生二次流動 (secondary flow)之迴流現象，此時擁有較低第二正向應力差之流體會 趨向包覆擁有較高第二正向應力差之流體，如圖2-4[55]。而隨著流道 長度增加，二次流動對流體界面之影響越大，使得包覆程度亦隨之增 加，如圖2-4。在White及Debbaut[59, 42]研究中亦指出第二正向應力差 可能是造成界面包覆增加之原因。

圖2-4 黏彈流體渦流(recirculation)現象

高分子塑料剛離開各自流道之後發生流體重整現象，隨後界面即 達平衡穩定之形狀，若僅使用簡單的牛頓流體或泛牛頓流體模型描 述，界面包覆即不會再繼續增加，然而若使用黏彈模型模擬共押出進 料區塊之流動，由於黏彈模型能對高分子流體彈性質加以描述，其第 二正向應力差不為零，並配合滑動邊界設定使計算不會忽略壁面之影 響(wall effect)，因此可有效模擬流體之二次流動現象以及可明顯觀察 到流體界面包覆之增加。本論文將比較泛牛頓流體模型與黏彈流體模 型包覆度之差異，藉此可以驗證是否二次流動(secondary flow)為包覆 現象產生之主因。

由於上述所提會影響包覆度之因素，在過去的文獻中，大多都 是在等溫條件下所進行之模擬，因此會忽略黏滯熱(viscous heating) 之影響，因高分子塑料黏度極大，高黏度的高分子流體在高剪切率 (high shear rate)時會因流體層間的速度差造成摩擦生熱，並導致流體 溫 度 的 明 顯 上 升 ， 此 現 象 稱 為 黏 性 消 散 效 性(viscous dissipation effect)，而黏度較高之流體其所產生之黏滯熱較大，流體內部溫度上 升較為明顯，高分子流體黏度也隨著溫度的上升將會有所改變，因此 包覆現象也將因黏滯熱(viscous heating)的產生有所變化。本論文利用 恆溫系統與非恆溫系統對包覆現象進行探討。

為了有效並定量的觀察包覆程度，本論文使用包覆度(Degree of

y

_w encapsulation)來觀察包覆現象，包覆度定義如下:

Degree of Encapsulation( )

y

^c

y

^w 100%

DE L

= − × (2-10)

其中

y

w 為流體界面在模壁面的高度，即為界面之最低點；yc 為流體 界面在幾何對稱面的高度，即為界面之最高點；L 為特徵長度，即為 進料組合區塊之矩形流道高度，如圖2-5[55]。

在文檔中 以三維有限元素法對共押出進料區塊之非等溫流動模擬 (頁 35-38)