Demonstration des Potenzgesetzmodells durch Extrusion

Demonstration of the Power Law Model Through Extrusion

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Chemical Engineering

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Demonstration of the Power Law Model Through Extrusion

4.2: Single and Two-phase Flow in a Packed Bed Reactor

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10:22 min

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April 11, 2017

Overview

Quelle: Kerry M. Dooley und Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana Landesuniversität, Baton Rouge, LA

Polymerschmelzen werden oft in einfachen Formen oder “Extrudate”, wie z. B. zylindrischen Pellets, flachen Platten oder Rohre, mit Hilfe eines Extruders gebildet. ¹ Polyolefine zählen zu den häufigsten extrudierbaren Polymeren. Extrusion beinhaltet den Transport und schmelzen solide Feed, die manchmal mit nicht-polymerer Werkstoffe und der Druckaufbau und Transport von der Schmelze oder Mischung gemischt wird. Es gilt für thermoplastische Polymere, die verformen Wenn erhitzt und wieder ihren früheren “keine-Flow” Eigenschaften beim Abkühlen.

Mit einem einfachen Labor-Extruder, die Wirkung der Betriebsbedingungen auf Polymer-Ausgang und Druckabfall kann untersucht werden und die resultierenden Daten können korreliert mit dem “Power Law” Modell für Durchfluss von Polymer schmilzt und Lösungen. Dieses Modell dient, um den Prozess zu komplexeren Extruder zu skalieren. Die Beziehung zwischen Betriebsbedingungen und die Abweichungen vom theoretischen Verschiebung Verhalten (“Slippage”) und Extrudat Form (“sterben Schwellen”) kann ermittelt werden.

In diesem Experiment, eine typische thermoplastischen Polymer wird wie ein High-Density-Polyethylen (HDPE) Copolymer (von Ethylen + eine längere Kette Olefin) verwendet werden. Die Betriebstemperatur für die Matrize und Zonen hängen vom Material ab. Die Durchflussmenge kann durch wiegen die sterben-Ausgabe in regelmäßigen Abständen bestimmt werden. Alle anderen notwendigen Daten (Schneckendrehzahl, Temperaturen, Druck in die Matrize) können aus der Instrumententafel gelesen werden.

Principles

Extruder gibt es in ein- und Doppelschneckenextruder Designs, mit mehr letztere häufig in der Industrie verwendet. Extrudierbaren Polymeren gehören, PVC, Polyethylen, Polypropylen, Olefin-Copolymere und ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Dünnere Formen, wie Filme oder dünne Wände (z.B., Milchflaschen) entstehen normalerweise durch Blasformen. Komplexe Formen, dicken, wie Karosserieteile, entstehen normalerweise durch Spritzgießen. Extruder sind jedoch weiterhin verwendet, das Polymer in der Spritzgussformen einzuspeisen.

Der Extruder (Abbildung 1) besteht aus einer zylindrischen Kammer (den “Lauf”) mit resistiven Heizelemente und eine spiralförmige Schraube, der entlang der Mittellinie im Inneren rotiert. Die Schraubenkanäle (zwischen den Flügen) sind breit am Feeder Ende mischen und schmelzen zu fördern, aber ihre breiten verringern entlang der Länge, um einen Druckaufbau in den Würfel zu fördern. Die Flüge erhöhen auch in Höhe, so dass der Abstand zwischen Flug und Fass klein ist. Die Schraube dient zur stetigen Transport aus der Zuführung zu gewährleisten, für die Verringerung des Volumens zu ermöglichen, da die Pellets zu schmelzen, Druck aufbauen und die Schmelze durch die Matrize transportieren.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Extruder-Versammlung. TIC = Temperatur-Angabe Controller, PI = Druckanzeiger. Die Matrize ist zylindrisch, 12,5 mm lang und 2 mm Innendurchmesser.

Das Fließverhalten eines Polymers schmelzen ändert sich mit der Schergeschwindigkeit, Temperatur und Druck. Die flüssige Viskosität sinkt mit zunehmender Schergeschwindigkeit und Temperatur – es ist nicht Newtonschen. Diese Eigenschaft (“Viskoelastizität”) ist wichtig in Bezug auf Verarbeitung und Design. ^1,2

Das viskoelastische Verhalten von Polymerschmelzen, beschreibt das Potenzgesetz-Modell enthält zwei empirische konstanten, der Modul von Viskosität, mund der Index n. Der Parameter m ist eine starke Abhängigkeit von der Temperatur, während die Parameter n mit Temperatur variieren. Die Parameter können auch über große Entfernungen mit Scherrate variieren. Das Potenzgesetz-Modell für die Scherspannung (Fluss in Z-Richtung, Stress-Ausbreitung in Richtung R) in der Matrize ist:

(1)

Wann wird diese Gleichung für den Stress in Z-Richtung Gleichung der Bewegung, und nur das τ_Rz Viskose Stress und Z Derivat beibehalten ersetzt (die linken Seite inertial Begriffe sind unerheblich für die meisten Polymer da fließt die Viskositäten so hoch sind), es ergibt sich eine gewöhnliche Differentialgleichung, die gelöst werden können, um zu erbringen:

(2)

wo ΔP ist der Druckverlust durch die Matrize und L und R sind die sterben Länge und Radius.

Procedure

Für dieses Experiment wird eine typische thermoplastischen Copolymer (ExxonMobil Paxon BA50, Schmelzetemperatur ~ 204 ° C) von High-Density-Polyethylen (HDPE) plus eine längere Kette Olefin durch eine zylindrische Düse extrudiert werden.

(1) Initialisieren des Extruders

Drehen Sie den Auspuff “ON” Wenn Sie bereit zum Hochfahren der Extruder sind.
Trichter und Extruder mit Polymer-Pellets zu füllen.
Stellen Sie sicher, dass der motor Schalter “OFF”. “ON” schalten Sie den Hauptschalter.
Stellen Sie die Temperatur sterben zwischen 220-250 ° C, die Zone 1 Temperatur 5-20 ° C oberhalb der Schmelztemperatur und die Temperatur der Zone 2 zwischen der Zone 1 und sterben Temperatur mit dem Up/down Tasten auf dem Bedienfeld.
Nachdem die Temperaturen aller beheizten Zonen ihre Sollwerte erreicht haben, warten Sie mindestens 1 h das Polymer in den Extruder zu schmelzen. Dies nennt man die “Heat-Soak”, und es ist regelmäßige wichtig, da jede solide links in der Schmelze einen übermäßig hohen Druck an der Düse, wodurch instationären Strömungen ausüben wird.

2. Betrieb des Extruders

Schalten Sie den Motor “” mit beiden Schaltern.
Stellen Sie die gewünschte Geschwindigkeit. Beginnen Sie mit niedriger Drehzahl und schrittweise Erhöhung der u/min als das Polymer verlässt die sterben, bis die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Ein Drehzahlbereich von 10-100 u/min wird empfohlen, aber das ist stark temperaturabhängig. Nicht mehr als 3.000 Psi sterben Druck unter keinen Umständen. Die Psi sollte < 2.500 Psi.
Laufen Sie den Extruder für ~ 10 min nach erreichen der gewünschten Geschwindigkeit. Überprüfen Sie regelmäßig den Trichter um sicherzustellen, dass es Harz Pellets hat.
Vor wiegen Sie eine Messung Pfanne für die Probenahme.
Messen Sie den Durchfluss durch das Extrudat mit einer Schere ausschneiden und sammeln, was die Messung Pfanne aus der Düse bei gemessenen Zeitintervalle beendet wird. Die Matrize ist extrem heiß und sollte nicht ohne Schutzhandschuhe berührt werden.
Wiegen Sie die Masse des Extrudats und Messen Sie den Durchmesser des Extrudats Bandes mit einem Mikrometer.
Schalten Sie den Motor auf eine unterschiedliche Geschwindigkeit und warten Sie ~ 10 min, bevor Sie Daten sammeln.
Wenn mehr als ein sterben Temperatur arbeitet, warten Sie 15 min nachdem die neue sterben Temperatur erreicht ist, bevor Sie Daten erfassen. Senken Sie die Geschwindigkeit zunächst, wenn Sie Die Temperatur erhöhen um verschwenden Polymer während des Übergangs zu vermeiden.
Wiederholungsmessungen Sie Flow Rate für unterschiedliche Betriebsbedingungen.

3. Herunterfahren der Extruder

Sammle alle gewünschte Daten ein und schalten Sie aus “” beide Extruder-motor-Schalter.
Schalten Sie “Ausschalten”.

Extrusion ist ein industrielles Verfahren, das Polymeren und anderen Materialien in definierten Formen, wie z. B. Schläuche und Rohre für Anwendungen wie Autoteile und Spielzeug verwandelt. Es ist in dem kleinen Maßstab vor der Konstruktion von industriellen Maschinen untersucht. Gängige Materialien für Extrusion sind Polyolefine Polyethylen und Copolymere. Während der Extrusion der thermischen Kunststoff, bekannt als solide Futter transportiert, gemischt und geschmolzen. Die Substanz wird durch eine Form bekannt als sterben, nach der es kühlt und nimmt den nicht biegsam Eigenschaften übergeben. Einfache Labor-Extruder können verwendet werden, um verschiedene Parameter beeinflussen die Polymer-Ausgabe mit einem macht-Gesetz-Modell zu untersuchen. Darüber hinaus können Beziehungen zwischen Betriebsbedingungen und Abweichungen vom theoretischen Verhalten sowie Extrudat Form hergestellt werden. Dieses Video zeigen ein Extruder Funktionsweise, Handhabung und Kraft Gesetz Modell verwenden, um den Prozess zu bewerten.

Der Extruder besteht aus einem Trichter, die feeds in das Polymer-Granulat, ein Fass, bestehend aus einer zylindrischen Kammer mit resistiven Heizelemente zur Steuerung der unterschiedlichen Temperaturzonen und eine spiralförmige Schraube, die sich um die Mittellinie dreht. Die Kanäle der Schraube sind breitesten am Anleger, mischen und schmelzen zu fördern. Die Kanäle werden jedoch zunehmend eng und flach entlang der Länge der Schraube. Die Schraube soll sorgen für stetigen Transport vom Anleger, während der Rückgang der Volumen und Aufbau und Druck entfallen, da das Futter schmilzt. Das Verhalten eines geschmolzenen Polymeren hängt von der Temperatur, Druck und die Viskosität, die das Verhältnis der Schubspannung, Rate zu Scheren ist. Für die meisten Polymeren sinkt Viskosität mit Temperatur und Scherkräfte, so dass sie nicht-Newtonschen Flüssigkeiten. Insbesondere Polymerschmelzen sind in der Regel viskoelastische und ihren Fluss wird durch eine Power-Gesetz-Modell beschrieben. Das Gesetz enthält zwei empirische Konstanten. M ist der Elastizitätsmodul der Viskosität und stark temperaturabhängig. Und n kann auch mit der Temperatur variieren. Die Leistung recht konstanten können vom Volumenstrom, Druck und Geometrie berechnet werden. Die Durchflussmenge wird durch Wiegen gegründet, Die Ausgabe über zwei Zeitintervalle. Nun da Sie wissen, wie funktioniert ein Extruder, lassen Sie uns das macht Recht Modell in einem realen Experiment anwenden.

Das thermoplastische Material in diesem Experiment ist ein high-Density-Polyethylen-Copolymer, enthält Links zu Ethylen und eine lange Kette Olefin. Um zu starten, schalten Sie den Auspuff auf. Nehmen Sie die Polymer-Pellets und füllen Sie den Behälter des Extruders. Stellen Sie sicher, dass der motor ausgeschaltet ist, und schalten Sie den Hauptschalter auf ein. Die Temperatur-Einstellungen sollte das Material im Einsatz angepasst werden. Stellen Sie die Temperatur der Zone eine um etwa 5 bis 20 Grad Celsius über dem Schmelzpunkt des Polymers, die etwa 200 Grad Celsius ist. Stellen Sie die Temperatur der Zone 3, die die Temperatur der zylindrischen Form, zwischen 220 und 250 Grad Celsius ist. Schließlich stellen Sie die Temperatur der Zone 2 zwischen eins und drei Zonen. Überprüfen Sie die Temperatur aller beheizten Zonen zu sehen, ob sie den gewünschten Sollwert erreicht. Sollwerte erreicht sind, warten Sie mindestens eine Stunde, eine Phase genannt Heat-Soak. Heat-Soak sorgt für jede verbleibende solid Polymer, die sonst sterben, was in instationären Strömungen zu hoher Druck kann schmelzen.

Schalten Sie den Motor auf. Legen Sie die gewünschte Geschwindigkeit mit Hilfe des Schalters beginnend mit niedriger Drehzahl. Und die Geschwindigkeit schrittweise zu erhöhen, da das Polymer gilt die sterben zu beenden, bis die niedrigste gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Überschreiten Sie 3.000 Psi sterben Druck nicht. Führen Sie den Extruder für 10 Minuten, nachdem die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Überprüfen Sie regelmäßig den Trichter um sicherzustellen, dass es genügend Harz Pellets hat. Pre-wiegen Sie die Pfannen für die Probenahme verwendet werden. Schutzhandschuhe anziehen. Mit Schere, sorgfältig schneiden Sie sehr heiß Extrudats in einer Pre-gewichteten Pfanne und wiegen Sie die Masse des Polymer, das extrudiert wurde zwischen gemessenen Zeitintervalle, die Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen. Messen Sie den Durchmesser des Extrudats Bandes mit einem Mikrometer. Mit Hilfe des Reglers, passen Sie den Sollwert an neue Gegebenheiten an und warten Sie 10 Minuten. Proben und Daten zu sammeln, wie zuvor ausgeführt. Um den Datensatz bei unterschiedlichen Temperaturen zu erhalten, senken Sie die Geschwindigkeit und verwenden Sie die Temperatur-Controller, um den Sollwert der Zonen anzupassen. Warten Sie 15 Minuten vor den Proben.

Der Extruder Motorschalter und den Hauptschalter ausschalten. Verwenden die Masse und die Dichte Schmelze des Polymers, berechnen der Volumenstrom q mit dem Potenzgesetz der Modulus der Viskosität, m und n, dass am besten das Material bei einer Temperatur von bestimmten sterben charakterisieren Kraft Gesetz Index zu bestimmen. Der Dreh-und Angelpunkt zwischen diese beiden Gleichungen ist die Balance, Dynamik, die Scherspannung bezieht sich auf den Druckverlust über den Lauf. Kombinieren Sie diese drei Gleichungen in eine Differentialgleichung, die gelöst werden können, um volumetrische Durchflussrate zu erbringen. Linearisieren Sie diese Gleichung und lineare und nichtlineare Regression mit m und n zu finden und vergleichen Sie die Ergebnisse. Nun, lassen Sie uns die Daten analysieren und prüfen, wie gut sie Kraft Gesetz Modell installiert ist und ob es überhaupt mit dem Modell übereinstimmt.

Die lineare Regression, die Kraft Gesetz Modell wird in diesem Diagramm gesehen, die die Beziehung zwischen dem Druck P und Volumenstrom Q zeigt. Der Bestimmungskoeffizient zeigt eine gute Passform. Die Kraft Gesetzes Index, n und e-Modul der Viskosität, m, zeigen, dass dies eine Pseudoplastic, d. h. als Scherung Ratenerhöhung, Viskosität sinkt. Es ist mehr als 10 Millionen Mal viskoser als Wasser bei Raumtemperatur und 10.000 Mal mehr zähflüssig als Glyzerin. Die Durchflussmenge erschienen einige geringfügige Auswirkungen auf das sterben Dünung Verhältnis, aber nicht auf Polymer Schlupf haben. Zusammenfassend lässt sich sagen es zeigt, dass die Power-Gesetz-Modell in Verbindung mit dem Impulssatz, angemessen beschreiben den Fluss der nicht-Newtonschen Flüssigkeit, den Fluss und die Viskosität ändert sich entsprechend Schneckendrehzahl und Temperatur anzeigt.

Gibt es eine Vielzahl von Extrusion Techniken, die in industriellen Fähigkeiten Prozesse und Benchtop-Forschung verwendet werden, um verschiedene Arten von Produkten, Rohre und Kunststoffe bis hin zu Biomaterialien zu erstellen. Extruder umwandeln Polymere in einfachen Formen. Sie können auch nicht-polymerer Additive, die Polymermischung mischen. Zusatzstoffe werden zugesetzt, um die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes, oft Vermittlung mehr Härte zu ändern. Beispiele hierfür sind Weichmacher, Antioxidantien und Flame Retardants. Anorganische Zusätzen wie Talkum oder Carbon, sind von begrenztem nutzen, weil sie nicht schmelzen. Extrusion ist auch die Grundlage für den 3D-Druck, ein Prozess, in dem eine thermoplastische Tinte Austritt aus einer Düse und lagert sich auf einer Fläche in vielen Schichten um ein dreidimensionales Material zu erstellen. Dieses vielseitige Technik wird im Bereich Biotechnik zur Bio-Print gewebespezifischen Zelle Konstrukte geprüft. Eine weitere wichtige Anwendung für Extruder ist Produkte zu einer Spritzgussform füttern, die das Material in einen Formhohlraum mit Druck zwingt. Es ist ähnlich wie bei Druckguss. Dieser Prozess schafft mehr spezialisierte Produkte und ist daher in ihrer Anwendung beschränkt. Neben Rohrleitungen, Schläuche und Verpackungsmaterialien dient der Extrusion auch allgemein für die Lebensmittelverarbeitung. Produkte wie Brot, Nudeln, Süßigkeiten, Getreide oder Tiernahrung, werden in großen Mengen extrudiert. Produkte mit hohem Stärkegehalt werden häufig in Essen Extrusion wegen ihrer Feuchtigkeit und Viskosität Profile verarbeitet.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Polymer Extrusion beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, das Verfahren der Extrusion, wie der Fluss, Geschwindigkeit und Temperatur des Prozesses beeinflussen können und wie man das macht Recht Modell, um es zu bewerten gilt. Danke fürs Zuschauen.

Results

Die Q vs. ΔP Beziehung wurde mit dem Potenzgesetz-Modell errechnet, und Ir nimmt eine einfache Form für Strömung in einem Rohr der einfachen Geometrie, der in diesem Fall der Würfel ist. Aus den Fluss, Geschwindigkeit, und Temperaturmessungen, die Potenzgesetz-konstanten und andere Größen wurden wie Schere-Rate, Schubspannung und Grad der Abweichung berechnet. Repräsentative Daten und eine Anpassung an Gleichung 2 durch lineare Regression sind in Abbildung 2dargestellt. Die Daten umfasste folgende Bereiche: mass Flow = 11-28 g/min, Schergeschwindigkeit (an Wand) = 35-85 s^-1, Viskosität (an Wand) = 760-460 Pa·s.

Abbildung 2 : Ergebnisse zeigt die Beziehung zwischen Druck (P) und Volumenstrom (Q).

Die lineare Regression passen war gut (R² = 0,9996). Jedoch um Gleichung 2 Log Verhältnis Q, Q₀ linearen Regression zuweisen (Q₀ kann jeder Datenpunkt, aber die niedrigsten Q wurde hier verwendet) zurückgegangen war, die einen Maß an Freiheit verloren. Dies gilt nicht für nicht-lineare Regression, die angibt, dass die nicht-lineare Regression eine bessere Passform geben sollte. Potenzgesetz zeige- und Elastizitätsmodul der Viskosität wurden von der angezeigten Daten berechnet. Der Power Law Index (n) war entschlossen, 0,42 werden und der Modulus der Viskosität (m) war entschlossen, 2,2 x 10^-2 MPa * sⁿ.

Durchflussmenge erschienen einige leichte Wirkung auf das sterben Dünung Verhältnis haben. Jedoch hatte erhöhen die Fließgeschwindigkeit keine Auswirkung auf Polymer Schlupf, zumindest für die Daten in Abbildung 3.

Abbildung 3 : Beziehung zwischen Volumenstrom (Q) und Drehzahl in u/min.

Applications and Summary

Polymer Extrusion beginnt durch Schmelzen Polymer-Harzen, die den Extruder durch den Trichter eingeben. Der Ablauf des geschmolzenen Polymeren hängt die Viskosität (Verhältnis der Scherbelastung Rate Scherung) Verhalten des Stoffes. Das Polymer lässt durch die Matrize und ist so geformt, gewünschten Abmessungen. Die Strömung des Polymers wird voraussichtlich das Potenzgesetz-Modell folgen.

In diesem Experiment, die Mechanik des Modells Potenzgesetz wurden einschließlich der Verwendung in Verbindung mit der Z-Richtung Bewegungsgleichung zu analysieren, den Fluss von einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit, und wie stark die Ströme und Viskositäten in Erwiderung auf Schneckendrehzahl und T ändern beobachtet. Viskoelastischen Flüssigkeiten haben einen Potenzgesetz Index < 1 während für Newtonsche Fluide, der Index 1 ist. Dies zeigt, dass die Geschwindigkeit erhöht, verringert sich die Viskosität und weniger Kraft/Masse ist erforderlich für die Schmelze fließen.

Extrusion ist ein primären Prozess für die Erstellung von vielen Arten von Rohrleitungen und Schläuche, Folien, Draht, Isolierung, Beschichtungen und andere Kunststoff-Produkte. ¹ extrudierbaren Produkten zählen Polyvinylchlorid (PVC), allgemein verwendet für Rohrleitungen, Polyethylen und seine Copolymere, die häufig für Verpackungen, Polypropylen, ABS, POM und Acrylfarben verwendet. ¹

Extrusion ist ein effizientes Verfahren zur Umwandlung von Polymeren in einfachen Formen. Allerdings funktionieren viele Extruder auch um nicht-polymerer Werkstoffe mit Polymeren zu mischen. Die spiralförmige Strömung durch die Flüge fördert effektive Mischung. Solche nicht-polymerer Additive enthalten Weichmacher (flüchtige organische Verbindungen verwendet, um die Viskosität zu senken und machen das Produkt duktileren), Antioxidantien und Flame Retardants. Auch anorganische Füllstoffe wie Kohlebürsten, Tone und Talkum können hinzugefügt werden, in Grenzen (weil sie nicht schmelzen). Füllstoffe ändern die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes, oft Vermittlung mehr Widerstandskraft.

Anderen Extrusionsverfahren wie geblasen Folienextrusion und übermäßig Brandschutzanstriche Extrusion, können einzigartige Produkte zu schaffen, aber sie sind mehr für eine begrenzte Auswahl von Produkten spezialisiert. Eine wichtige Verwendung für Extruder ist, die Produkte an Schlag oder Injektion zerfällt zu verfüttern. Spritzguss macht eine Vielzahl von komplexen Produkten von Körper und unter der Motorhaube Autoteile bis hin zu Spielzeug, Zahnräder. Über Ummantelung Extrusion wird verwendet, um elektrische Leitungen, beschichten, während Schlauch Extrusion (Ringdüse) Industrie- und Wohnbauten Rohrleitungen erstellt. Kunststoffplatten werden durch Strömung durch eine Matrize erstellt, die einen Kleiderbügel ähnelt. ¹

Extruder werden auch häufig in der Lebensmittelindustrie verwendet. Produkte wie Nudeln, Brot und Getreide werden in großen Mengen extrudiert. Stärken sind am häufigsten in der Lebensmittel-Extrusion aufgrund ihrer Feuchtigkeit Inhalt und Viskosität Profil verarbeitet. Der Prozess des Schmelzens in Kunststoffumspritzung wird der Prozess des Kochens in der Lebensmittelproduktion. Andere Nahrungsmittel erstellt durch Extrusion sind Süßigkeiten, Cookie-Teig und Tiernahrung.

Materialliste

Name	Unternehmen	Katalog-Nummer	Kommentare
Ausrüstung
Single-Screw Extruder	SIESCOR		3/4“ Durchmesser Schraube, L/D-Verhältnis = 20
PE-LLD	Dow	LLD2	Alternative Polymer, BA50, Schmelztemperatur = 191 °C, s.g. = 0.930
HDPE-Copolymer	ExxonMobil	Paxon BA50	Schmelztemperatur = 204 °C, s.g. = 0.949
¼ -HP-DC-Motor	MINARIK		Einfacher Untersetzung Schneckengetriebe Reduzierstück, Verhältnis 31:1

References

Principles of Polymer Processing, Z. Tadmor and C.G. Gogos, Wiley Intersicence, Hoboken, 2006 (Ch. 3, 4, 6, 9-10); Analyzing and Troubleshooting Single Screw Extruders, G. Campbell and M.A. Spalding, Carl Hanser, Munich, 2013 (Ch. 1, 3, A3).
Transport Phenomena by R.B. Bird, W.E. Stewart, and E.N. Lightfoot, John Wiley, New York, 1960 (Ch. 2-3) and Process Fluid Mechanics by M.M. Denn, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1980 (Ch. 2, 8, 19)

Transcript

Extrusion is an industrial process that transforms polymers and other materials into defined shapes, such as tubing and pipes for applications as diverse as car parts and toys. It is studied at the small scale prior to the design of industrial machines. Common materials for extrusion are polyolefins, polyethylene, and copolymers. During extrusion, the thermal plastic material, known as solid feed, is transported, mixed, and melted. The substance is passed through a mold known as the die, after which it cools and resumes to the non-pliable properties. Simple lab extruders can be used to investigate various parameters affecting the polymer output using a power law model. Furthermore, relationships between operating conditions and deviations from theoretical behavior, as well as extrudate shape, can be established. This video will illustrate how an extruder works, how to operate it, and how to use the power law model to evaluate the process.

The extruder consists of a hopper, which feeds in the polymer granules, a barrel, composed of a cylindrical chamber with resistive heating elements to control the different temperature zones, and a helical screw that rotates around the center line. The channels of the screw are widest at the feeder to promote mixing and melting. However, the channels become increasingly narrow and shallow along the length of the screw. The screw is designed to ensure steady transport from the feeder, while accounting for the reduction in volume and build-up and pressure as the feed melts. The behavior of a molten polymer depends on the temperature, pressure, and the viscosity, which is the ratio of shear stress to shear rate. For most polymers, viscosity decreases with both temperature and shear rate, making them non-Newtonian fluids. Specifically, polymer melts are usually viscoelastic and their flow is described by a power law model. The power law contains two empirical constants. M is the modulus of viscosity and strongly temperature-dependent. And n may also vary with temperature. The power law constants can be calculated from the volumetric flow rate, pressure, and geometry. The flow rate is established by weighing the die output over two time intervals. Now that you know how an extruder works, let’s apply the power law model in a real experiment.

The thermoplastic material used in this experiment is a high density polyethylene copolymer, which contains links of both ethylene and a long chain olefin. To start, turn the exhaust to on. Take the polymer pellets and fill the hopper of the extruder. Ensure that the motor switch is off and then turn the main switch to on. The temperature settings should be adjusted to the material in use. Set the temperature of zone one to around five to 20 degrees Celsius above the melting point of the polymer, which is approximately 200 degrees Celsius. Set the temperature of zone three, which is the temperature of the cylindrical die, between 220 and 250 degrees Celsius. Finally, set the temperature of zone two to be between zones one and three. Check the temperature of all heated zones to see if they reached the desired set-point. Once set-points are reached, wait for a minimum of one hour, a phase called heat-soak. Heat-soak ensures melting of any residual solid polymer, which otherwise can exert excessively high pressure on the die, resulting in unsteady flows.

Turn the motor to on. Set the desired speed using the switch starting with low RPM. And gradually increase the speed as the polymer is seen exiting the die until the lowest desired speed is reached. Do not exceed 3,000 psi die pressure. Run the extruder for 10 minutes after the desired speed has been reached. Periodically check the hopper to ensure it has enough resin pellets. Pre-weigh the pans to be used for sample collection. Put on safety gloves. Using scissors, carefully cut the very hot extrudate into a pre-weighted pan and weigh the mass of polymer that was extruded between measured time intervals to calculate the flow rate. Measure the diameter of the extrudate ribbon with a micrometer. Using the speed controller, adjust the set-point to a new setting and wait for 10 minutes. Collect samples and data as performed previously. To obtain the data set at different temperatures, lower the speed and use the temperature controllers to adjust the set-point of the zones. Wait for 15 minutes before collecting the samples.

Turn off both the extruder motor switch and the main switch. Using the mass rate and the melt density of the polymer, calculate the volumetric flow rate, Q. Use the power law to determine the modulus of viscosity, m, and the power law index, n, that best characterize the material at a given die temperature. The linchpin between these two equations is the momentum balance, which relates shear stress to the pressure drop across the barrel. Combine these three equations into a differential equation that can be solved to yield volumetric flow rate. Linearize this equation and use both linear and nonlinear regression to find m and n and compare the results. Now, let’s analyze the data and examine how well it is fitted by the power law model and whether it is consistent with the model at all.

The linear regression to the power law model is seen in this graph, which depicts the relationship between the pressure, P, and the flow rate, Q. The coefficient of determination shows a good fit. The power law index, n, and modulus of viscosity, m, indicate that this is a pseudoplastic, that is, as shear rate increase, viscosity decreases. It is over 10 million times more viscous than water at room temperature, and 10,000 times more viscous than glycerin. The flow rate appeared to have some slight affect on the die swell ratio, but not on polymer slippage. In summary, it shows that the power law model, in conjunction with the momentum equation, suitably describe the flow of this non-Newtonian fluid, indicating the flow and viscosity changes in response to screw speed and temperature.

A variety of extrusion techniques exist that are used in both industrial skill processes and benchtop research to create various types of products, ranging from pipes and plastics to biomaterials. Extruders convert polymers into simple shapes. They can also mix non-polymeric additives to the polymer blend. Additives are added in order to modify the mechanical properties of the final product, often imparting more toughness. Examples include plasticizers, antioxidants, and flame retardants. Inorganic additives, such as talc or carbon, are of limited use because they do not melt. Extrusion is also the basis for 3D printing, a process in which a thermoplastic ink exits from a nozzle and is deposited on a surface in many layers to create a three-dimensional material. This versatile technique is being explored in bioengineering applications to bio-print tissue-specific cell constructs. Another key use for extruders is to feed products to an injection mold, which forces the material into a mold cavity using pressure. It is similar to die-casting. This process creates more specialized products and is therefore limited in its range of application. Besides piping, tubing, and packaging materials, extrusion is also commonly used for food processing. Products, such as bread, pasta, confectioneries, cereals, or pet foods, are extruded in mass quantities. Products high in starch content are commonly processed in food extrusion because of their moisture and viscosity profiles.

You’ve just watched JoVE’s introduction to polymer extrusion. You should now understand the process of extrusion, how the flow, speed, and temperature can affect the process, and how to apply the power law model to evaluate it. Thanks for watching.