Modelování procesu vyfukování fólií pro nenewtonské kapaliny s využitím variačního počtu

Ing. Roman KOLAŘÍK

Disertační práce

Modeling of Film Blowing Process for Non-Newtonian Fluids by using Variational Principles

Abstract:

The first part of this work introduces the tubular film blowing process for polymer films production together with the process instabilities which represent the main limiting factors for this technology. Specific attention has been paid to the summarization and description of different models in chronological order, which can be utilized for single-layer and multi-layer film blowing modeling. In the second part of this work, a novel numerical scheme for variational principle based modeling of the non-isothermal, single-layer film blowing process which takes into consideration the generalized Newtonian model depending on three principal invariants of the deformation rate tensor, D, and its absolute value (defined as the square root of D.D), is proposed and successfully tested in order to understand the complicated relationship between processing conditions (i.e. internal bubble pressure, heat transfer coefficient, mass flow rate, cooling air temperature, melt/die temperature), material parameters (i.e. extensional viscosity, rupture stress, Newtonian viscosity, flow activation energy, power law index) and film blowing stability. It was discovered that the processing parameters, together with the flow activation energy, have a greater effect on the film blowing stability than the basic rheological characteristics of the polymer melt and the relationship between the film blowing stability window size (and/or minimum achievable final film thickness) and the extensional strain hardening has a non-monotonic character for a given range of melt strengths. In the last part of this work, the proposed variational principle based modeling approach for the multi-layer film blowing process was tested on the experimental data obtained from a 9-layer film blowing line which was used to produce a LDPE/LDPE/tie/PA6/EVOH/PA6/tie/LDPE/LDPE film under different processing conditions. It was established that the utilized model can be used to describe the bubble shape and to predict the internal bubble pressure reasonably well for all of the applied processing conditions.

Abstract:

První část této práce se věnuje popisu jak procesu vyfukování, který se používá k výrobě polymerních fólií, tak různých typů nestabilit, které představují hlavní limitující faktor této technologie. Zvláštní pozornost byla věnována shrnutí a popisu jednotlivých matematických modelů, které mohou být využity k modelování tohoto procesu. Ve druhé části této práce bylo navrženo a úspěšně otestováno stabilní numerické schéma pro modelování neizotermálního procesu vyfukování jednovrstvé polymerní fólie pomocí variačního počtu s využitím generalizovaného Newtonského modelu beroucí v úvahu funkční závislost viskozity na třech základních invariantech deformačně rychlostního tenzoru D a jeho absolutní hodnotě (definované jako odmocnina z D.D), a to s cílem porozumět komplikovanému vztahu mezi procesními podmínkami (vnitřní přetlak, koeficient přestupu tepla, hmotnostní průtok, teplota chladícího vzduchu, teplota taveniny/vytlačovací hlavy), materiálovými parametry (tahová viskozita, pevnost taveniny, Newtonská viskozita, aktivační energie toku, index nenewtonského chování) a stabilitou procesu vyfukování. Bylo odhaleno, že procesní parametry společně s aktivační energií toku mají větší vliv na stabilitu procesu vyfukování fólií než základní reologické charakteristiky polymerní taveniny, přičemž vzájemný vztah mezi velikostí stabilitního okna (a/nebo minimální dosažitelnou finální tloušťkou fólie) a stupněm zatvrzení při protahování polymerní taveniny má nemonotónní charakter v daném rozsahu pevnosti taveniny. V poslední části této práce byla testována využitelnost a aplikovatelnost variačního počtu na modelování procesu vyfukování vícevrstvých fólií s využitím experimentálních dat získaných vyfukováním koextrudované fólie typu LDPE/LDPE/pojivo/PA6/EVOH/PA6/pojivo/LDPE/LDPE při různých zpracovatelských podmínkách. Bylo prokázáno, že použitý model popisuje jak tvar vyfukovaného rukávu, tak velikost vnitřního přetlaku s dostatečnou přesností, a to pro všechny aplikované zpracovatelské podmínky.

Keywords

Aplikovaná reologie, matematické modelování, vyfukování fólií, vytlačování, polymerní taveniny, nenewtonské kapaliny, stabilitní analýza

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 16. 5. 2012

Zveřejnit od: 16. 5. 2012

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 28. 6. 2012
• Vedoucí: prof. Ing. Martin Zatloukal, Ph.D.

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Fakulta technologická

Doktorský studijní program / obor:
Chemie a technologie materiálů / Technologie makromolekulárních látek