Demostración del modelo de ley de energía a través de extrusión

Extrusión es un proceso industrial que transforma polímeros y otros materiales en formas definidas, tales como tubos y tuberías para aplicaciones tan diversas como juguetes y piezas del coche. Se estudia en la pequeña escala antes del diseño de máquinas industriales. Materiales comunes para la protuberancia son poliolefinas polietileno y copolímeros. Durante la extrusión, el material plástico térmico, conocido como alimento sólido, es transportado, mezclado y fundido. La sustancia pasa a través de un molde conocido como el dado, después de lo cual se enfría y se reanuda a las propiedades no flexible. Extrusoras de laboratorio simple pueden utilizarse para investigar diversos parámetros que afectan a la salida de polímero utilizando un modelo de ley de energía. Además, se pueden establecer relaciones entre condiciones de operación y las desviaciones de comportamiento teórico, como forma de carrete. Este video ilustra el funcionamiento de una extrusora, cómo funciona y cómo utilizar el modelo de ley de alimentación para evaluar el proceso.

El extrusor consta de una tolva, que se alimenta en los gránulos de polímero, un cañón, compuesto por una cámara cilíndrica con elementos de calefacción resistiva para controlar las zonas de temperatura diferentes y un tornillo helicoidal que gira alrededor de la línea de centro. Los canales del tornillo están más amplias en el alimentador para promover la mezcla y fusión. Sin embargo, los canales cada vez más estrechas y poco profundas a lo largo de la longitud del tornillo. El tornillo está diseñado para asegurar transporte constante desde el alimentador, mientras responsables de la reducción de volumen y acumulación y presión como se derrite la alimentación. El comportamiento de un polímero fundido depende de la temperatura, la presión y la viscosidad, que es la relación de esfuerzo cortante a velocidad de cizalla. Para la mayoría de polímeros, viscosidad disminuye con la tasa de corte y temperatura, haciéndolos fluidos no newtonianos. Específicamente, los derretimientos del polímero son generalmente viscoelástico y su flujo es descrito por un modelo de ley de alimentación. La ley de energía contiene dos constantes empíricas. M es el módulo de viscosidad y fuertemente dependiente de la temperatura. Y n puede variar con la temperatura. Las constantes de la ley de potencia pueden ser calculadas de la tasa de flujo volumétrico, la presión y la geometría. La tasa de flujo se establece por peso que el dado salida en dos intervalos de tiempo. Ahora que conoces el funcionamiento de una extrusora, apliquemos el modelo de ley de alimentación en un experimento real.

El material termoplástico utilizado en este experimento es un copolímero de polietileno de alta densidad, que contiene vínculos de etileno y una olefina de cadena larga. Para empezar, gire el tubo de escape para el. Tome las pastillas de polímero y llenar la tolva de la extrusora. Asegúrese de que el interruptor del motor esté apagado y luego encienda el interruptor principal. La temperatura debe ajustarse al material en uso. Ajustar la temperatura de la zona uno alrededor cinco a 20 grados Celsius por encima del punto de fusión del polímero, que es de aproximadamente 200 grados centígrados. Ajuste la temperatura de la zona tres, que es la temperatura del molde cilíndrico, entre 220 y 250 grados centígrados. Finalmente, ajuste la temperatura de la zona dos que entre las zonas uno y tres. Verifique la temperatura de todas las zonas calientes a ver si alcanzó el punto deseado. Una vez que se alcanzan puntos de ajuste, espere un mínimo de una hora, una fase llamada calor empape. Calor-remojo asegura la fusión de cualquier polímero sólido residual, que de otra manera puede ejercer excesiva presión en el dado, resultando en flujos inestables.

Gire el motor encendido. Seleccione la velocidad deseada con el interruptor a partir de bajas revoluciones. Y aumente gradualmente la velocidad mientras el polímero es visto salir del dado hasta que se alcanza la velocidad mínima deseada. No exceda la presión de 3.000 psi muere. Ejecute la extrusora para 10 minutos después de haber alcanzado la velocidad deseada. Revise periódicamente la tolva para asegurarse de que tiene suficiente pellets de resina. El pesar los recipientes para recogida de muestras. Póngase guantes de seguridad. Usando las tijeras, con cuidado corte extruido muy caliente en una sartén previamente ponderada y pesar la masa de polímero que fue sacado entre intervalos de tiempo medidos para calcular la tasa de flujo. Mida el diámetro de la cinta de carrete con un micrómetro. Utilizar el controlador de velocidad, ajustar el punto fijo a una nueva posición y esperar 10 minutos. Recoger las muestras y datos de como se realizó anteriormente. Para obtener el conjunto de datos a diferentes temperaturas, reducir la velocidad y utilice los controladores de temperatura para ajustar el set-point de las zonas. Espere 15 minutos antes de recoger las muestras.

Apague el interruptor del motor del extrusor y el interruptor principal. La tasa de masa y la densidad de fusión del polímero, calcular la tasa de flujo volumétrico, Q. uso la ley de alimentación para determinar el módulo de viscosidad, m y el índice de ley de potencia, n, que mejor caracteriza el material a una temperatura dada muere. El eje central entre estas dos ecuaciones es el balance de momentum, que relaciona la tensión de esquileo a la caída de presión en el barril. Combinar estas tres ecuaciones en una ecuación diferencial que se puede resolver para obtener el flujo volumétrico. Alinear esta ecuación y regresión lineal y no lineal para encontrar m y n y comparar los resultados. Ahora, vamos a analizar los datos y examinar cómo está equipado el modelo ley de potencia y sea coherente con el modelo en todo.

La regresión lineal para el modelo de ley de alimentación se observa en este gráfico, que representa la relación entre la presión, P y el caudal, Q. El coeficiente de determinación indica un buen ajuste. El índice de energía ley n y módulo de viscosidad, m, indican que se trata de un pseudoplástico, es decir, como aumento de la tasa de corte, disminuye viscosidad. Es más de 10 millones de veces más viscoso que el agua a temperatura ambiente y 10.000 veces más viscoso que la glicerina. El caudal parece tener algún efecto leve sobre la relación entre inflamación de morir, pero no de deslizamiento de polímero. En Resumen, muestra que el modelo de ley de alimentación, junto con la ecuación de momentum, describir adecuadamente el flujo de este líquido no neutoniano, indicando los cambios de flujo y viscosidad en respuesta a la velocidad del tornillo y la temperatura.

Existe una gran variedad de técnicas de extrusión que se utilizan en procesos industriales habilidad e investigación de escritorio para crear varios tipos de productos, que van desde tubos y plásticos con biomateriales. Extrusoras de convierten polímeros en formas simples. También pueden mezclar no poliméricos aditivos a la mezcla de polímero. Se agregan aditivos para modificar las propiedades mecánicas del producto final, a menudo impartir más dureza. Los ejemplos incluyen plastificantes, antioxidantes y llama retardantes. Aditivos inorgánicos, tales como talco o carbón, son de uso limitado porque no se funden. Extrusión es también la base para la impresión 3D, un proceso en el que una tinta termoplástica sale por una boquilla y se deposita sobre una superficie en muchas capas para crear un material tridimensional. Se está estudiando esta técnica versátil en aplicaciones de bioingeniería para construcciones de bio-impresión específicas de tejido celular. Otra clave para extrusoras es productos de alimentación para un molde de inyección, que fuerza el material en una cavidad de molde usando presión. Es similar de fundición a presión. Este proceso crea productos más especializados y por lo tanto está limitado en su rango de aplicación. Además de tuberías, tubos y materiales de empaque, extrusión es también de uso general para la elaboración de alimentos. Productos, tales como pan, pasta, dulces, cereales y alimentos de animal doméstico, se sacan en grandes cantidades. Productos altos en contenido de almidón se procesan habitualmente en extrusión de alimentos debido a sus perfiles de humedad y viscosidad.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a extrusión de polímero. Ahora debe entender el proceso de extrusión, como el flujo, la velocidad y la temperatura pueden afectar el proceso y cómo aplicar el modelo de ley de alimentación para evaluarlo. Gracias por ver.