Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Aufschmelzverhalten wandgleitender Materialien in Einschneckenmaschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Analyse von Strömungsvorgängen in Einschneckenextrudern wird üblicherweise von wandhaftendem Materialverhalten ausgegangen. Dies trifft jedoch nicht auf alle Materialien unter allen Prozessbedingungen zu. So kann es im schmelzeflüssigen Zustand insbesondere bei hochmolekularem PE, PVC, Elastomeren und Polymersuspensionen zu einer Relativbewegung zwischen Wand und Schmelze kommen. Für die im ersten Teil dieses Forschungsvorhabens gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich der Leistungsberechnung bzw. bei der Berechnung nahezu aller prozessrelevanten Parameter ist der Aufschmelzverlauf als Eingangsgröße notwendig. Hierzu ist eine entsprechende Modellvorstellung erforderlich. Von den bislang publizierten Aufschmelzmodellen hat sich das nach Maddock für wandhaftende Schmelzen heute weitgehend durchgesetzt: Ein kompaktes Feststoffbett befindet sich an der passiven, nicht treibenden Flanke des Schneckensteges. Bei wandgleitenden Schmelzen kann es jedoch nach Klenk zu einer Verschiebung des Feststoffbettes an die aktive, treibende Schneckenflanke kommen. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die grundlegende Erforschung des Aufschmelzverhaltens wandgleitender Materialien um Erkenntnisse zur Position des Feststoffbettes zu erlangen. Zentraler Punkt der experimentellen Untersuchungen ist die Detektion der Lage des Feststoffbettes im Schneckenkanal. Dazu kommen zwei verschiedene Verfahren zum Einsatz: Dynamische Druckmessungen und die Analyse von Schnittbildern der erkalteten Schmelze. Zusammenfassend ist festzustellen, dass das Feststoffbett entgegen der Beobachtungen von Klenk bei den durchgeführten experimentellen Untersuchungen stets an der passiven Flanke liegt. Eine Anlagerung an die aktive Flanke kann nicht beobachtet werden. Daher ist auf Basis dieser Untersuchungen davon auszugehen, dass auch für wandgleitende Polyolefin-Schmelzen die Beobachtungen von Maddock Gültigkeit besitzen. Neben den experimentellen Untersuchungen sollen anhand von Strömungssimulation die Situation im Schneckenkanal abgebildet und relevante Parameter variiert. Die Ermittlung des als Eingangsgröße für die Simulation unabdingbaren Zusammenhangs zwischen Wandgleitgeschwindigkeit und wirksamer Wandschubspannung in rheologischen Untersuchungen des Materials zeigte jedoch keine eindeutigen Ergebnisse. Auch bei der Definition der Wandgleitbedingungen im Simulationsmodell traten erhebliche Probleme auf. Neben daraus resultierenden zeitlichen Verzögerungen im Projektablauf war es aufgrund der erforderlichen Anpassungen der Simulationsmodelle und den Unsicherheiten bezüglich der Materialdaten nicht mehr möglich, die Ergebnisse der Simulation direkt mit den experimentellen Daten zu vergleichen. Dennoch halten die Simulationsmodelle einer kritischen Gegenüberstellung mit den experimentell ermittelten Daten in qualitativer Hinsicht stand. Sowohl die aus den Experimenten als auch die aus den Simulationen gewonnen Erkenntnisse weisen auf eine Anlagerung des Feststoffbettes an der passiven Flanke des Schneckenkanals hin. In keinem Versuchsbzw. Simulationspunkt kann eine Anlagerung des Feststoffbettes an der aktiven Flanke bzw. eine dorthin gerichtete Kräftebilanz detektiert werden. Die Ergebnisse hinsichtlich einer von Maddock abweichenden Position des Feststoffbettes bei der Verarbeitung von wandgleitenden Thermoplasten können demgemäß nicht nachvollzogen werden. Insbesondere die These von Klenk, dass der Wandgleiteffekt allgemein ursächlich für die Position des Feststoffbettes im Schneckenkanal ist, scheint mit Hinblick auf die vorliegenden Ergebnisse fraglich. Möglich ist, dass spezifische Eigenschaften des von Klenk für die experimentellen Untersuchungen verwendeten PVC zu diesem Ergebnis geführt haben. Die in diesem Projekt gewonnen Erkenntnisse erlauben den Einsatz bestehender Modelle hinsichtlich des Aufschmelzens (mit entsprechenden Anpassungen) auch im Fall von wandgleitenden Schmelzen. Die in diesem Forschungsprojekt erzielten Erkenntnisse ermöglichen so auch den fundierten Einsatz der im ersten Teil dieses Forschungsprojektes unter Voraussetzung des Maddock-Modells erstellten mathematischen Modelle hinsichtlich des Leistungsverhaltens von Einschneckenextrudern im Fall von Wandgleiten im Aufschmelzbereich. Prinzipiell erhöht sich durch die Kenntnis der Lage des Feststoffbettes die Ergebnissicherheit bei der Beurteilung von wandgleitbehafteten Extrusionsprozessen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Analytical Modelling of the Pressure/Throughput and Drive Power Behaviour in the Melting Section of Single Screw Extruders considering Wall Slippage and Shear Thinning“, PPS Europe 2010, European Meeting of the Polymer Processing Society, Istanbul, Turkey
Markus Bornemann, Heinrich Hörmann, Helmut Potente, Volker Schöppner
