Die Aufbereitung immer komplexerer Compounds stellt die Kunststoffindustrie vor stetig wachsende Herausforderungen. Doppelschneckenextruder stoßen dabei zunehmend an ihre verfahrenstechnischen Grenzen hinsichtlich hoher Mischwirkung bei gleichzeitig geringer Materialbelastung. Der Planetwalzenextruder (PWE) mit seinem einzigartigen Funktionsprinzip stellt in diesem Anwendungsfeld eine Maschine mit hohem Potential dar. Mangelndes Prozessverständnis führt jedoch dazu, dass Auslegung und Prozessoptimierung durch zeit- und kostenaufwändige Versuchsreihen erfolgen müssen. Simulationsmodelle, wie sie bei Doppelschneckenextrudern etabliert sind, können für den PWE aufgrund der komplexen Geometrie und Spindelbewegung nicht angewendet werden. Ziel des Projekts war daher die Erstellung eines numerischen Modells des Schmelzetransports im PWE sowie die darauf basierende Erweiterung eines anwenderfreundlichen Simulationstools für eine optimierte Auslegung des Extrusionsprozesses.
Der Lösungsansatz bestand darin, zunächst die für die Simulation erforderlichen Materialdaten zu ermitteln und diese durch Materialmodelle zu beschreiben. Experimentelle Untersuchungen mit einem speziellen Messzylinder sowie die numerischen Simulationen geben Aufschlüsse über die Vorgänge im PWE. Begleitend erfolgte eine analytische Modellierung des Extruders. Der Fokus lag dabei in der Abbildung des Prozessverhaltens von verschiedenen Planetenspindeln. Die analytischen Modelle wurden schließlich in ein Simulationstool implementiert. Abschließend wurden Validierungsexperimente durchgeführt und mit den Berechnungen verglichen.
Aktualisiert: 2022-01-27
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Bei der Schaumextrusion werden hohe Expansionsraten und eine homogene Porenstruktur erzielt, wenn das Treibmittel gleichmäßig in die Polymerschmelze eingemischt und die treibgasbeladene Schmelze vor dem Austritt aus der Düse präzise abgekühlt wird. In diesem Zusammenhang wird die Nutzung eines Planetwalzenextruders als Misch- und Kühlextruder für die Schaumextrusion ganzheitlich charakterisiert. Unter Verwendung von verdichtetem Kohlendioxid als Treibmittel werden mit der konfigurierten Schaumextrusionsanlage PLA-Schäume mit einer Porosität von über 98 % hergestellt. Die Einflüsse der Verfahrensparameter auf die Schaumeigenschaften werden diskutiert. Zur Erzielung besonders hochporöser Schäume sind hohe Treibmittelbeladungen sowie hohe Druckentspannungsraten und damit auch Polymermassenströme erforderlich.
Die Charakterisierung der Strömung und Durchmischung im Planetwalzenextruder erfolgt einerseits mithilfe numerischer Strömungssimulationen und andererseits durch die Visualisierung mit einem im Rahmen dieser Arbeit angefertigten transparenten Modell des Planetwalzenextruders. Demnach variieren die Transport- und Mischeigenschaften des Extruders je nach gewählter Geometrie und Anzahl der Planetspindeln. Anhand der vorgestellten Modelle wird eine gezielte Auswahl von Spindelkonfigurationen für verschiedene Prozessaufgaben ermöglicht. Insgesamt werden die hohen Expansionsraten und die feinzelligen homogenen Porenstrukturen bei der Schaumextrusion auf die starke Durchmischung im Planetwalzenextruder zurückgeführt, die sich aus dem hohen Dehnströmungsanteil und einem häufigen Wechsel der Strömungsform ergibt.
Aktualisiert: 2021-03-25
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To convert electrically isolating polymers into conductive materials, conductive fillers are mixed into the polymer matrix by melt compounding. Carbon black is the filler of choice due to easy handling and low costs, provided that the resulting black colour of the compound is acceptable. The biggest challenge for the compounding process is setting the optimal conditions. In order to obtain a conductive compound, the carbon black must be distributed homogeneously in the polymer matrix without losing its shear-sensitive structure during this process, so that a continu-ous, electrically conductive network of carbon black is achieved at a low percolation threshold. This work examines the influence of the process technology of planetary roller extruders (PWE) on the electrical conductivity of carbon black-filled polyolefins. Compounds are manufactured on the basis of polyethylene and polypropylene under different process conditions and with different contents of carbon black. The electrical conductivity of both injection molded and pressed specimens is measured. In addition to the electrical properties, the morphological and mechanical properties are also investigated. In the case of injection molded samples, feeding the carbon black directly into the melt zone of the PWE leads to the highest electrical conductivity, while for samples produced by pressing the lowest electrical conductivity is obtained. Another finding of this work is that the electrical conductivity of carbon black-filled polyolefins is less affected by the process technology of the planetary roller extruder than by the type of carbon black, the carbon black content, and the processing method. When considering the mechanical properties of the specimen it is found that as expected, impact strength and elongation at break decrease with increasing carbon black content, while tensile modulus and fracture stress are improved.
Aktualisiert: 2019-03-28
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