Extrusion 3-2023

31 Extrusion 3/2023 mente untergliedern: • Flansch für den Anschluss an den Extruder (grün) • Der konische Verdrängerkörper (rot) • Der trompetenförmige Außenkörper mitsamt Aufnahme- bohrung für Drucksensoren (gelb) • Vorrichtung zur Fixierung des Verdrängerkörpers im Fließkanal (blau) Der den Verdränger umgebende Außenkörper stellt die Außen- kontur und der Verdrängerkörper selbst die Innenkontur des Fließkanals dar. Dabei wird die strömende Schmelze sowohl in Umfangs- als auch in Extrusionsrichtung gedehnt, sodass sie äquibiaxial verstreckt wird. Für die Messung der Druckverluste sind entlang der Fließkanalkontur Druckaufnehmer platziert. Zur Gewährleistung der Inline-Fähigkeit kann die hinter dem Au- ßenkörper frei ausströmende Schmelze durch das Anbringen eines äußeren Zylinders gezielt in Extrusionsrichtung geführt werden. Zur Bestimmung der Dehnviskosität werden die Gesamtdruck- verluste ∆ p mess über die Messstrecke gemessen. Der Dehn- druckverlust ∆ p dehn ergibt sich aus der Subtraktion des Scherdruckverlusts ∆ p scher vom Gesamtdruckverlust entspre- chend Gleichung 3 [HM17, HRS+21]. (Gl. 3) Zur Berechnung dieses Scherdruckverlusts wird der sich veren- gende Fließkanal in kleine Ringspaltelemente segmentiert, die jeweils mit den bekannten Strömungsgleichungen für eine Schlitzkapillare evaluiert werden können, sofern Kurven der Scherviskosität vorliegen [HRS+21]. Die Dehnviskosität berechnet sich entsprechend der vorgestellten Gleichung 2 . Um die Tauglichkeit des Inline-Dehnrheometers zu prüfen, wird ein unverzweigtes, lineares PP vom Typ PP BC250MO des Herstellers Borealis Polyolefine GmbH, Linz, Österreich, heran- gezogen. Damit geprüft werden kann, wie sich die Drucksignale und die sich daraus ergebenden Dehnviskositäten durch zuneh- menden Anteil an Langkettenverzweigungen verändern, wird zudem ein zweites PP-Material eingesetzt. Das zweite PP-Mate- rial vom Typ Daploy TM WB140HMS desselben Herstellers besitzt im Vergleich zum PP BC250MO Langkettenverzweigungen in der Molekularstruktur und somit eine höhere Schmelze- festigkeit [NN22]. Das lineare PP wird im Nachfolgenden abkür- zend als 100/0 PP bezeichnet, da es eine vollständig lineare Struktur aufweist und keine Langkettenverzweigungen be- sitzt. Zusätzlich wird eine Mischung bestehend aus jeweils 50 Gew.-% der beiden PP-Typen verwendet. Diese wird nach- folgend als 50/50 PP bezeichnet, da 50 Gew.-% des linearen Anteils durch das hochschmelzefeste PP ersetzt werden. Die Her- stellung der Mischung erfolgt in Granulatform distributiv in einem Behälter. Das langkettenverzweigte PP wird als 0/100 PP bezeichnet. Das Ziel ist es, den Einfluss zunehmender Mengen an hochschmelzfestem Material auf die resultierende Viskosi- tätsänderungen zu untersuchen. Als Referenz werden uniaxiale Dehnviskositätsmessungen der Kunststoffschmelzen mit dem Rheotens des Geräts 71.97 im Messlabor der GÖTTFERT Werkstoffprüfmaschinen GmbH, Bu- chen, durchgeführt. Der bei einer Temperatur von 230 °C durch eine Rundlochkapillare (L = 30 mm, d = 2 mm) extrudierte Schmelzestrang wird bei einem eingestellten Durchsatz von 0,5 kg/h mit einer Beschleunigung von 30 mm/s² bis zum Schmelzeabriss abgezogen. Die Länge der Spinnstrecke beträgt bis zur Mitte der Abzugsräder 100 mm. Weitere Untersuchungen werden an einem Hochdruck-Kapil- larrheometer (HKR) des Typs Rheograph 2002 der Firma Gött- fert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH – Rheologische Prüfgeräte, Buchen, durchgeführt. Die dabei gemessenen Druckverluste werden ausgewertet, um mittels der Bagley-Korrektur den dehn- behafteten Einlaufdruckverlust der Schmelze beim Kapillarein- tritt zu bestimmen. Die bestimmten Einlaufdruckverluste können zur Berechnung der Dehnviskosität nach dem Modell von Gib- son genutzt werden [Gib89]. Zusätzlich werden uniaxiale Dehn- viskositäten unter Annahme eines fixen Trouton-Verhältnisses von 3 aus den Scherviskositäten abgeschätzt [Trou06]. Die Mes- sungen finden bei einer Versuchstemperatur von 230 °C statt. Zuletzt erfolgt die Untersuchung des biaxialen Inline-Dehnrheo- meters an einem Einschneckenextruder 6E4 mit genuteter Ein- zugsbuchse der Firma Barmag Oerlikon, Remscheid. Die verwendete Schnecke besitzt einen Durchmesser von 60 mm und ist 40 D lang. Das entwickelte Dehnrheometer ist für eine äquibiaxiale Dehnrate von 3 1/s und einem Massedurchsatz von 24,5 kg/h ausgelegt. Die Drehzahl des Extruders wird an einen zu erzielenden Durchsatz von 24,5 kg/h angepasst. Zur Ver- gleichbarkeit wird auch für diese Messungen eine Extruder- sowie Rheometertemperatur von 230 °C eingestellt. Die Kraft-/Verstreckungskurven der Rheotens-Messungen sind in Bild 2 dargestellt. Es wird deutlich, dass die gemessenen Kräfte beim linearen 100/00 PP am geringen sind. Die sich aus der Steigung des Kraftverlaufs ergebende Dehnviskosität nimmt Bild 2: Kraft-/Verstreckungsverläufe der Rheotens-Messungen 100/0 PP 50/50 PP 0/100 PP 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 F [N] 0 5 10 15 20 25 Verstreckung V [-]