Overview
ソース: ケリー ・ m ・ ドゥーリーとマイケル g. ベントン、工業化学科、ルイジアナ州立大学、バトン ルージュ, ルイジアナ
高分子の溶融は、単純な図形や「押」円筒形ペレット、フラット シート、押出機を使用して、配管などによく形成されます。1ポリオレフィンは、最も一般的な extrudable 共重合体です。押出は、輸送と溶融非高分子材料および圧力集結溶解または混合物の輸送と混ぜる場合もある固体フィードに含まれます。それは、熱可塑性ポリマー、加熱し、冷却、以前「いいえ-フロー」プロパティを再開するときの変形を行うに適用されます。
簡単なラボの押出機を使用すると、ポリマーに及ぼす研削条件の影響出力、圧力降下を調べることができます、「べき乗則」高分子の流れのモデルを溶かすとソリューションを使用して、結果のデータを関連付けることができます。このモデルを使用してより複雑な押出機にプロセスをスケール アップします。運転条件と理論変位挙動 (「滑り」) と押し出し図形 (「ダイスウェル」) からの偏差の関係を決定できます。
この実験では、典型的な熱可塑性高分子高密度ポリエチレン (HDPE) などは、(エチレン + 長いチェーン オレフィン) の共重合体が使用されます。死ぬとゾーンの温度は材料によって異なります。流量は、一定間隔で死ぬ出力を計量によって決定することができます。(スクリュー回転数、ゾーン温度、金型に入る圧力) その他のすべての必要なデータは、インストルメント パネルから読むことができます。
Principles
シングルとツイン スクリュー デザインで、後者がより多くの業界で一般的に使用される押出機が存在します。 Extrudable 高分子にはポリ塩化ビニール、ポリエチレン、ポリプロピレン、オレフィン系共重合体、ABS (アクリロニ トリル-ブタジエン-スチレン) が含まれます。フィルムや薄い壁 (例えば牛乳瓶) など、シンナーの図形は、通常ブロー成形によって形成されます。自動車ボディ部品などの複雑な厚い形は、通常射出成形によって形成されます。ただし、押出機は、射出成形金型にポリマーを飼料に使用されてまだ。
押出機 (図 1) は、抵抗加熱要素と内部中心線に沿って回転するスクリュ円筒容器 (以下「桶」) ので構成されます。(乗り継ぎ) ねじのチャネルは混合・溶融を促進するフィーダーの端に広いが、金型に圧力の蓄積を促進するために、長さに沿って、幅を下げます。便は、フライトとバレルの隙間が小さい、高さは増加も。ねじは、フィーダーから安定した輸送を確保するため、ペレットを溶かす、圧力を構築、金型を介して融液の輸送量の削減を可能にする設計されています。
図 1。押出機アセンブリの模式図。チックタック = PI コント ローラーを温度を示す圧力計を =。金型は、円筒形、12.5 mm 内径 2 mm 長い。
ポリマーの流動挙動は、せん断速度、温度、圧力と変更を溶かします。流体の粘性が増加せん断速度と温度低下 - それはないニュートン。このプロパティ (「粘弾性」) 処理とデザインの面で重要です。1, 2
高分子融液の粘弾性挙動は、2 つの経験的な定数、インデックスn・ m、粘性係数が含まれる力法律モデルによって記述されます。パラメーター mパラメーター nは温度と異なる場合がありますが、温度の厳密な関数であります。パラメーターは、範囲が大きい剪断速度と異なります。金型におけるせん断応力 (z 方向、径方向の応力の伝播の流れ) のべき乗則モデルです。
(1)
ストレスに対してこの式が動きとだけ、τrz粘性応力および z 圧力誘導体の保持 z 方向の方程式に代入されるとき (左側の慣性用語は、ほとんどの高分子は流れるので無視、粘度とても高い) ある結果をもたらすことができる解決する常微分方程式。
(2)
ΔP は型で、圧力降下、L と R が金型の長さと半径、それぞれ。
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Procedure
この実験のため高密度ポリエチレン (HDPE) プラス長鎖オレフィンの典型的な熱可塑性樹脂共重合体 (エクソンモービル パクソン BA50 溶融温度 ~ 204 ° C) は円筒金型を通して押し出さでしょう。
1. 押出機を初期化します。
- "ON"押出機パワーアップする準備ができたら排気を有効にします。
- 高分子ペレットでホッパーと押出機を埋めます。
- モーターのスイッチが「OFF」であることを確認します。"ON"メイン スイッチを入れます。
- 220-250 ° C、ゾーン 1 温度 5 ~ 20 ° C 間のダイ温度を設定上記の溶融温度とゾーン 2 温度ゾーン 1 温度と使用して金型温度の上下パネルのキー。
- すべての加熱ゾーン温度セット ポイントに達すると、1 h の押出ポリマーを溶かすための最低限を待ちます。これを「熱吸収」と溶解の任意の固体左は非定常流れの結果として死亡に過度に高圧を出すため重要な critcally です。
(2) 押出機の営業
- 両方のスイッチを使用して「オン」モーターを回します。
- 希望の速度を設定します。低回転でスタートし、ポリマー、ダイを終了は、希望の速度に到達するまで、回転数を徐々 に増やします。10-100 RPM の速度範囲をお勧めします、しかし、これは温度に強く依存しています。いかなる状況下で 3,000 psi 死ぬ圧力を超えないようにします。Psi であるべき < 2,500 psi。
- 所望の速度に達した後 〜 10 分の押出機を実行します。樹脂ペレット、ようにホッパーを定期的にチェックします。
- 事前サンプル コレクションの測定パンの重量を量る。
- 押し出しをはさみで切ると何が測定のパンで測定された時間間隔中に金型から終了を収集して流量を測定します。金型は特に暑く、安全手袋をせずに触れてはなりません。
- 押し出しの質量をはかるし、マイクロメータをもつ押し出しリボンの直径を測定します。
- モーターを切り替える速度が異なるとデータを収集する前に 〜 10 分を待ちます。
- 1 つ以上の金型温度で動作している場合は、データを収集する前に新しいダイ温度に達した後 15 分を待ちます。移行時に高分子の無駄を避けるために金型温度を上げる場合は、当初速度を下げます。
- さまざまな動作条件の流量率測定を繰り返します。
3. 押出機をシャット ダウンします。
- すべての必要なデータを収集した後「オフ」押出機モーター、両方のスイッチに。
- 「オフ」メイン スイッチを入れます。
押出成形、チューブ用自動車部品、玩具など、さまざまなパイプなどの定義済み図形高分子と他の材料に変換する工業プロセスです。産業機械の設計前に小規模で検討されています。押出成形用の一般的な材料は、共重合体、ポリエチレン、ポリオレフィンです。押出中に、は、固体フィードとして知られている熱のプラスチック材料が運ばれ、混合、溶融は。物質は、死ぬ、それが冷却し、非柔軟なプロパティへの再開後と呼ばれる金型を通して渡されます。簡単なラボの押出機は、力法律モデルを用いた高分子の出力に影響するさまざまなパラメーターを調査する使用ことができます。さらに、条件と押し出し形状だけでなく、理論的な行動からの偏差を動作間の関係を確立できます。このビデオでは、押出機のしくみ、それを操作する方法および力法律モデルを使用して、プロセスを評価する方法を説明します。
押出機は、異なる温度帯と中心線を中心に回転するスクリュを制御する抵抗加熱要素を持つ円筒容器から成る、バレルを高分子ペレットでフィード ホッパーで構成されています。ネジのチャネルは、混合、溶解を促進するフィーダーで広い。しかし、チャンネルになりますます狭い、ねじの長さに沿って浅い。ネジは、フィードを溶かすボリュームとビルドアップと圧力の低減のため経理フィーダーから安定した輸送を確保する設計されています。溶融高分子の挙動は、温度、圧力、粘度はずり速度、剪断応力の比は、によって異なります。ほとんどのポリマーのために温度およびせん断率、それら非ニュー トン流体粘度が低下します。具体的には、高分子の溶融は、通常、粘弾性との流れが力法律モデルによって記述されます。べき乗則には、2 つの経験的な定数が含まれています。M は粘度と強く温度依存している係数です。N も温度と異なる場合があります。力法律の定数は、体積流量、圧力、およびジオメトリから計算できます。流量は、ダイ出力以上の 2 つの時間間隔の計量で確立されます。今、あなたは押出機のしくみを知って、実際の実験で力法律モデルを適用してみましょう。
この実験で使用されている熱可塑性の素材は、高密度ポリエチレン共重合体、エチレンと長鎖オレフィンの両方のリンクを含む。開始に排気を有効にします。高分子ペレットを取るし、押出機のホッパーを入力します。モーターのスイッチがオフであることを確認し、メイン スイッチの電源を入れます。温度設定は、使用材料に調整必要があります。約 5 に 20 ° c の融点以上約 200 ° c である高分子のゾーンの 1 つの温度を設定します。円筒金型、220 や 250 の摂氏温度間の温度は、3 つのゾーンの温度を設定します。最後に、ゾーンでゾーン 1 と 3 の間にある 2 つの温度を設定します。目的のセット ポイントを迎えるかどうかを参照してくださいすべての加熱ゾーンの温度を確認してください。セット ポイントに達すると、最低 1 時間、熱の浸透と呼ばれる位相を待ちます。それ以外の非定常流れの結果として死亡に過度に高い圧力をかけることができますが、残留固体高分子の融解熱の浸透が保証されます。
モーターをオンにします。低回転から始まるスイッチを使用して希望の速度を設定します。ポリマーは最低必要な速度に到達するまでに金型を終了するよう、徐々 に速度を上げます。3,000 psi 死ぬ圧力を超えないようにします。所望の速度に達した後、10 分の押出機を実行します。十分な樹脂ペレット、ようにホッパーを定期的にチェックします。事前サンプル コレクションに使用する鍋の重量を量る。安全手袋を入れてください。はさみを使って、慎重に前加重パンに非常に熱い押し出しをカット、流量を算出する測定された時間間隔の押し出された高分子の質量をはかります。マイクロメータをもつ押し出しリボンの直径を測定します。スピード コント ローラーを使用すると、新しい設定にセット ポイントを調整し、10 分待ちます。以前に実行のサンプルとデータを収集します。異なる温度でのデータ セットを取得するには、速度を下げるし、ゾーンのセット ポイントを調整する温度コント ローラーを使用します。サンプルを収集する前に 15 分間待ちます。
押出機モーター スイッチ、メイン スイッチの両方の電源を切ります。質量率とポリマーの溶融密度を使用して、体積流量、粘度、m と力法インデックス、n, 特定の金型温度で物質の特徴を最高の弾性率を決定するため Q. 使用電力法を計算します。これら 2 つの式の間の要は、バレルの圧力損失にせん断応力を関連する運動量バランスです。体積流量を得ることができる解決微分方程式にこれらの 3 つの方程式を組み合わせます。この方程式を線形化し、m と n を検索し、結果を比較する線形および非線形回帰を使用します。今、データを分析し、どれだけそれは力法律モデルによる装着は、かどうかそれがすべてでモデルと一貫性を確認しましょう。
圧力, P、Q 流量の関係を示しています。 このグラフで力法律モデルへの回帰が見られます。決定係数は、よい適合を示しています。パワー指数、n、および粘度、弾性係数 m、ことを示す、擬は、せん断率増加、粘度減少として。常温では、水より粘度 10 百万倍以上、グリセリンより粘度 10,000 回です。流量は、高分子の滑りではなく死ぬうねり比率のいくつかのわずかな影響があるように見えた。要約すると、それは運動量方程式と組み合わせて力法律モデルを示す、スクリュー回転数と温度の応答の流量と粘度の変化を示す、この非ニュー トン流体の流れを適切に記述します。
様々 な押出成形技術は、製品、パイプ、プラスチックから生体に至るまでの様々 なタイプを作成する産業技術プロセスとベンチトップ型研究の両方で使用されている存在します。押出機は、ポリマーを単純な図形に変換します。彼らは、非高分子添加ポリマー ブレンドを混在させることも。添加剤は、しばしばより靭性を付与、最終製品の機械的性質を変更するために追加されます。例として、可塑剤、酸化防止剤、炎の抑制剤。彼らは溶けないのでタルクやカーボンなどの無機添加物が限定使用です。押し出しも 3 D プリント、熱可塑性のインクがノズルから終了しては三次元のマテリアルを作成する多くの層の表面上に堆積プロセスのための基礎です。この汎用性の高い手法は、バイオ プリント組織固有のセル構造にバイオ エンジニア リング アプリケーションで探求されています。押出機のための別のキーの使用は、圧力を使用して金型に材料を強制射出金型に製品を供給することです。ダイカストに似ています。このプロセスより特化した製品を作成し、したがってアプリケーションの範囲は限られます。配管、チューブ、および包装材料、以外にも押出、食品加工の使用もされます。パン、パスタ、菓子、穀物、またはペット食品などの製品は大量に押し出されます。澱粉含量の高い製品は、水分、粘度のプロファイルのため食品押出成形で一般的処理されます。
ゼウスのポリマー押出し加工入門を見てきただけ。今、押出プロセス、流れ、温度、速度がプロセスに与える影響とそれを評価する力法律モデルを適用する方法を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。
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Results
べき乗則モデルを用いた ΔP 関係対 Q を計算し、ir は、ダイをこの例では単純な形状の導管流の簡単なフォーム。流れ、速度、および温度測定、べき乗則定数および他の量、せん断など率、せん断応力とすべり性を求めた。代表的なデータと線形回帰によって合わせて方程式 2は図 2のとおりです。データは、次の範囲をまたがる: マスフロー = 11-28 g/分、(壁) でせん断速度 35 85 の-1、(壁) で粘度を = = 760 460 Pa·s。
図 2: 圧力 (P) と流量 (Q) の関係を描いた結果。
適合線形回帰が良かった (R2 = 0.9996)。ただし、線形回帰を方程式 2 Q は Q を0の対数比に適用するために (Q0は任意のデータ ポイントをすることができますが、最も低い Q はここで使用された) 後退だった自由度を失っています。これは、非線形回帰がより良いフィット感を与える必要がありますを示す非線形回帰のためのケースではありません。力指数と粘性係数は、示されているデータから計算されました。0.42 に力法律インデックス (n) を決定し、10-2 MPa x 2.2 粘度 (m) の係数を求めた * sn。
流量は死ぬうねり比率のいくつかのわずかな効果が登場。ただし、流量を増やす効果がなかったポリマー滑りに少なくとも図 3のデータの。
図 3: 体積流量 (Q) と回転速度の関係。
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Applications and Summary
ホッパーを押出機を入力ポリマー樹脂を溶融ポリマー押出し加工を開始します。溶融ポリマーの流れは異なります (ずり速度、せん断応力比) 粘度物質の挙動。ポリマー型で、葉し、は形を目的のサイズにします。高分子の流れは、べき乗則モデルに従うと予想されます。
この実験では、べき乗則モデルの力学での使用方法を含むが z 方向スクリュー回転数と T に対応のフローと粘度の変更方法を大幅非ニュー トン流体の流れを分析して運動方程式と組み合わせて観察。粘弾性流体力法インデックスを持つ < 1 ニュートン流体のインデックスは 1 です。少ない力/質量は流れへのメルトの粘度低下および速度が増加したことを示します。
押出パイプの多くの種類を作成するための主なプロセスは、チューブ、フィルム、ワイヤーその他のプラスチック製品、塗料、断熱材。1 にはextrudable 製品には、ポリ塩化ビニル (PVC)、一般配管、ポリエチレン、アクリル、アセタール、abs 樹脂ポリプロピレン包装によく使用されるその共重合体に使用されますが含まれます。1
押出は、ポリマーを単純な図形に変換する効率的なプロセスです。ただし、多くの押出機は、ポリマーと非高分子材料を混合する機能します。便を介してヘリカル フローは、効率的な混合を促進します。可塑剤 (有機化合物使用し粘度を低くし、製品をより延性)、酸化防止剤、炎などのような非高分子添加剤。炭素、粘土やタルクなども無機フィラーを追加できます、範囲内で (彼らは溶融しない) ので。充填剤は、しばしばより靭性を付与、最終製品の機械的性質を変更します。
インフレーション フィルム押出及び過剰補強押出成形などの他の押出成形プロセスは、ユニークな製品を作成できますが、彼らはより限られた範囲の製品について特化しました。押出機の鍵の使用は打撃または射出成形機に製品を供給します。射出成形は、車のボディとアンダー フード部分から歯車のおもちゃに至るまでの複雑な製品のさまざまな。過剰補強押出成形、チューブ押出 (環状死ぬ) が産業および住宅の配管を作成している間に電気配線をコートに使用されます。プラスチック シートは、コート ハンガーに似た死ぬ流れによって作成されます。1
押出機は、食品加工にもよく使用されます。パスタ、パン、シリアルなどの製品は大量に押し出されます。澱粉はその水分のコンテンツと粘度のプロファイルのための食品押出で最もよく処理されます。プラスチック押出成形における溶融のプロセス食糧生産における調理のプロセスになります。押し出しによって作成された他の食品、菓子、クッキー生地やペットフード。
材料リスト
| 名 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
| 機器 | |||
| 単一ねじ押出機 | SIESCOR | 3/4"口径、L/D 比 = 20 | |
| LLDPE | ダウ | LLD2 | 代替ポリマー BA50、融点 191 °C、イーエックスオーを = = 0.930 |
| HDPE コポリマー | エクソンモービル | パクソン BA50 | 融点 = 204 °C、イーエックスオー 0.949 を = |
| ¼の馬力の DC モーター | ミナリック | 単一の削減ウォームギヤ減速機、比率の働き |
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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)
