Bachelorstudiengang Materialwissenschaft, ETH Zürich Grundlagenfächer Teil 3 Frühjahrsemester 2008

Polymere II Teil 2: Technologie der Polymere 2. Lektion: Urformen I Extrudieren / Blasformen Thomas Schweizer Institut für Polymere FS09 2/1

Thermisch-mechanisches Verhalten

plastische Formgebung

Einteilung Polymerer Werkstoffe: Nach Klassen

. p Re

unvernetzt

vernetzt

Duroplaste

Elastomere chemisch vernetzt

TPE

physikalisch vernetzt

Thermoplaste

amorph

Ordnungszustand

teilkristallin

Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, Hanser, 2007

FS09 1/2

Einteilung Polymerer Werkstoffe: Nach Modifizierung

Homopolymer .

p e R

Katalysator Polymerisationsbedingungen

Mw, Mw/Mn Verzweigungsstruktur

- Verarbeitungsverhalten - mechanische Eigenschaften - Kristallisationsverhalten

physikalische Modifizierung

chemische Modifizierung

Copolymer

A+B→AAABAABBBABAA A+B→ABABABABABABA Random~ Alternierendes ~ A+B→AAAAABBBBAAAAABBBB A+B→AAAAAAAAAAAA Block ~ B Pfropf ~ B B

- Steifigkeit - Schlagzähigkeit - Chem. Beständigkeit - Verarbeitbarkeit - Preis - TPE

Erhöhung der Ordnung - Verarbeitbarkeit

Blends

Homo~ - neue Eigenschaften f(A+B) ≠ f(A)+f(B) Hetero~ - Kompromiss:

begrenzte Eigenschaften der Standard-Polymere hoher Preis der technischen Polymere

Modifizierung durch Zusatzstoffe

FS09 1/3

Vom Polymer zur Formmasse Polymere Rohstoff(e)

. p Re

Modifizierung

Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, Hanser, 2007

+

Zusatzstoff(e)

→

Kunststoff-Formmasse

distributives Mischen

dispersives Mischen FS09 1/4

Inhalt • Extrusion Extrudertypen Kennfeld Folgeanlagen • Blasformen Extrusionblasformen Spritz-Streckblasformen

FS09 2/5

Der Extruder: Aufgaben

Homogenisierung

Kompression

Einzug

Aufgaben des Extruders: • Einziehen • Aufschmelzen und Fördern • Verdichten • Plastifizieren • Homogenisieren • Pumpen

Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, Hanser, 2007

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

FS09 2/6

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Geometrie der einfachen Schnecke Gangtiefe [mm]

Gangtiefe h1 Einzugszone

h1

20 < L/DS < 25

Spiel ca. 1-3%o von Ds

Gangtiefe h3 Ausstosszone

h3 Ds http://www.mb.hs-wismar.de/~hansmann/Downloads/MEng/Kunststofftechnologie/ Extrusion/Extrusion_1_Einfuehrung_und_Einschneckenextruder.pdf

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

Schneckendurchmesser [mm] FS09 2/7

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Typen von Extrudern Extrudertyp Einschnecken

n > 150 rpm

Doppelschnecken Gegenläufer

Vorteile

Nachteile

• preiswert, robust, wenig überlastempfindlich

• Förderung von Wandhaftung abhängig

• bessere Mischwirkung als DSE

• Druckströmung

• Zwangsförderer (z.B. für pulverförmiges PVC)

• schlechter Mischer

• guter Druckaufbau

• genaue Dosierung notwendig

• viele Schneckengeometrien möglich

• Überlastung bei Überfütterung

• bessere Entgasung als Gleichläufer • Langsamläufer

n > 1000 rpm

• Profilextrusion

Doppelschnecken

• gute Selbstreinigung

Gleichläufer

• genaue Dosierung notwendig • Überlastung bei Überfütterung

• Schnellläufer

• eingeschränkte Schneckengeometrien

• Mischer (Compoundierung)

DSE generell

• rasches Aufschmelzen

• Drucklager der Schnecken (Platz)

) für reaktive Verarbeitung geeignet FS09 2/8

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Pumpvermögen und Mischeffizient im DSE

0.4s

0.8s

Pumpvermögen

QA→B / Q

Gegenläufer

1.4

0.02

Gleichläufer

1

0.83

Tadmor, Principles of Polymer Processing, 2006

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

FS09 2/9

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Der Einschnecken-Extruder: Einzugsverhalten

Haftreibungszahl

• Die Ausstossleistung eines Extruders wird massgeblich von seinen Einzugseigenschaften bestimmt. • Bei nicht-zwangsfördernden Einschnecken-Extrudern gilt:

Einzug ist von Wandhaftung abhängig

Abhängigkeit von Wandhaftung reduziert

G. Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik,1963 http://www.mb.hs-wismar.de/~hansmann/Downloads/MEng/Kunststofftechnologie/ Extrusion/Extrusion_1_Einfuehrung_und_Einschneckenextruder.pdf

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

FS09 2/10

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Schneckentypen und Aufschmelzvorgang Einzug

B

A

(Polyamidschnecke)

B

Q

A Wandgeschwindigkeit

Schmelzedicke

Q ← Treibende Flanke

MailleferSchnecke B

A

A

Housz JFI, M. H. (1981). "The melting performance of single screw extruders." Polym. Eng. Sci., 21(6): 352-359. Fischer P, Wortberg J (1997). Einschneckenextruder und Barriereschnecken. Der Einschneckenextruder - Grundlagen und Systemoptimierung, Baden-Baden, VDI.

2.1 Extrudieren

2.2 Blasformen

B 2.3 Spritzgiessen

FS09 2/11

2.4 Zusammenfassung

Schnecken: Entgasung flüchtige Stoffe

Die Variation des Kernquerschnitts erlaubt das Einrichten druckloser Abschnitte, aus denen flüchtige Stoffe abgesaugt, aber auch Gase und Flüssigkeiten zudosiert werden können.

Fritz HG (1983). "Entwicklungstendenzen bei Einschneckenextrudern." Chem. Ing. Technik 55(4): 256-266.

2.1 Extrudieren

Zwischengranulatvolumen

FS09 2/12

2.2 Blasformen

2.3 Spritzgiessen

2.4 Zusammenfassung

Druckaufbau

Druckströmung

Schleppströmung

FS09 2/13

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Der (Einschnecken-)Extruder als Pumpe Schleppströmung

Barrel (b) z

Druckströmung

x Db

l

v b WH WH3 ⎛ ΔP ⎞ − Q = Qd + Qp = cos θ ⋅ Fd + sin θ ⋅ Fp 2 12η ⎜⎝ L ⎟⎠

n

=π·Ds·sinθ

Arbeitsgleichung des Extruders für vereinfachte Randbedingungen: • Newton'sche Flüssigkeit • Isotherme Verhältnisse • Rückströmung über die Stege vernachlässigbar

Geometrie der einfachen Schnecke mit quadratischer Geometrie Ds = Ls, d.h. θ = 17.7° vb = nπDb: Schneckenumfangsgeschwindigkeit

für ΔP=0 erhält man sofort den maximalen Durchsatz,

Qmax =

flacher Kanal

v b WH cos θ ⋅ Fd ≈ 0.24 ⋅ v b WH 2

für Q=0 den maximalen Druck: tiefer Kanal

Pmax =

6v bLηFd v bLη ≈ 18.8 ⋅ H2 tan θFp H2

vb = nπDb: Schneckenumfangsgeschwindigkeit Formfaktoren für verschiedene Achsenverhältnisse H/W des Kanals (Einfluss des Stegs auf Strömung)

Als dritte Grösse erhält man für die Steigung der Schneckenkennlinie

−

Qmax πD H3 sin2 θ D H3 =− b ≈ −0.024 ⋅ b Pmax 12ηL ηL

Tadmor, Gogos: Principles of Polymer Processing, Wiley, 2006

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

FS09 2/14

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

ohne Düse

Strömungsprofile im Schneckenkanal z x

Beachten: Obwohl es eine Rückströmung im Kanal in z-Richtung gibt, ist deren Betrag so gering, dass keine Schmelze in l-Richtung im Extruder zurückfliesst.

n

1

2

/3

/3

Düse blockiert

l

Normierte Gangtiefe y/H

Db

Rückströmung

⎛ Q ⎞ vl = 3ξ(1 − ξ) ⎜ 1 + p ⎟ sin θ cos θ vb ⎝ Qd ⎠ Strömungsgeschwindigkeiten im Schneckenkanal Tadmor, Gogos: Principles of Polymer Processing, Wiley, 2006

2.1 Extrusion Grundlagen

2.2 Extrusion Folgeanlagen

vb=nπDb: Schneckenumfangsgeschwindigkeit FS09 2/15

2.3 Blasformen

2.4 Zusammenfassung

Energiebilanz Transversalströmung: Trägt nicht zu Q, aber zur Energiedissip. bei

Führt man den Drosselkoeffizienten a (0