Studium toku polymerních tavenin uvnitř různých typů míchacích elementů a vlnových šneků

Ing. Pavel KUBÍK

Doctoral thesis

Investigation of polymer melt flow through different mixing elements and waving screw channels

Abstract:

One of the most important, yet problematic, issues in the extrusion process is achieving good mixing. A revelation of its principles inside of various types of mixing elements is always appreciated. So, an enormous effort was spent to study mixing principles not even by setting some experiments but also by 3D FEM simulation that allows to look at the mixing under the real processing conditions and its correlation with experimentaly obtained data is acceptable. At the beginning, the theoretical background focused on the extrusion process is presented. Specifications of all main zones in the single-screw extruder are shown. Basic mixing principles are also a part of the theoretical background. The biggest part of the theoretical background, however, is pointing to history of screw design and development of mixing elements. Some methods of mixing quantification are presented, as well. Then, the performance of three different mixing elements on color dispersion in polymer stream during extrusion is studied. Two similarly designed Maddock mixers and a Stratablend II mixer are used as the last part of a general purpose single screw. Moreover, an in-line melt camera is used for quantification of mixing quality by visualization of grayscale of the color dispersion and thus mixing. The Stratablend II mixer produces the lowest and most uniform standard deviation. Comparison with 3D FEM simulations clearly indicate that the Stratablend II mixer has the best mixing abilities and that these are mainly given by its unique design with high average value of shear stress. The results also suggest that the key factor for achieving better mixing is the frequency by which a large fraction of the material passes through the high shear stress regions of the mixer. A new average stress criterion is developed for a purpose of its quantification. The next step is studying of a mixing efficiency of two slightly different fluted mixing elements by RGB spectral analysis. This method is used for the quantification of the speed of mixing, but the overall mixing appears to be equal after sufficient mixing time. The fluted mixer without the wiping flight, however, creates a stagnation layer of material which rotates between the mixer and the barrel. This layer is characterized by a long residence time. The long residence time is again measured by RGB spectral analysis and also visualized in the video. Finally, a detail 3D FEM study by using two different rheological models, of the mixing performance of the Fusion screw geometry is presented. Special criteria characterizing the mixing performance in dependence of the barrier undercut separating the waving channels are developed. A great mixing performance is achieved when a right balance in both dispersive and distributive part of the mixing process is found.

Abstract:

Jednou z nejdůležitějších a nejproblematičtějších součástí procesu vytlačování je dosažení správného míchání, a tak odhalení jeho principů a zákonitostí uvnitř různých typů míchacích elementů je velmi žádoucí. Proto je studiu míchání věnováno velké úsilí. Není nutno využívat pouze experimentálních dat, ale velkou výhodou je také použití 3D FEM simulací, které umožňují výzkum míchání za v podstatě reálných procesních podmínek neboť korelace mezi predikovanými a experimentálními daty je velmi dobrá. Teoretická část definuje základní pojmy extruzního procesu a popisuje jednotlivé zóny jednošnekového vytlačovacího stroje. Dále jsou představeny základní principy míchání s důrazem na představení historického vývoje designu šneků a míchacích elementů. V poslední sekci teoretické části jsou pak představeny vybrané metody, které jsou vhodné pro kvantifikaci míchání. V experimentální části je nejprve prověřována míchací účinnost třech odlišných typů míchacích elementů na disperzi barvy v polymerní tavenině. Pro tento účel byly použity dva míchací elementy typu Maddock s podobným designem a jeden míchací element typu Stratablend II, které byly umístěny v poslední zóně standartního šneku. Vizualizace procesu míchání barvy v polymerní tavenině byla provedena pomocí speciální kamery instalované přímo na vytlačovací lince, a to na základě analýzy stupňů šedi dispergovaného barviva. Bylo zjištěno, že míchací element typu Stratablend II vykazoval nejlepší míchání. Tento závěr byl podpořen pomocí 3D FEM simulace, z které vyplynulo, že design míchacího elemetu typu Stratablend II umožňuje jak výrazný zpětný tok, tak dlouhodobé generování vysoké hodnoty průměrného smykového napětí, což je klíčové pro dosažení vysokého míchacího účinku. Pro účely kvantifikace intenzity míchání bylo vyvinuto nové napěťové kritérium. V další části práce byla studována míchací účinnost dvou velmi podobných míchacích elementů typu Maddock vizualizací toku a hodnocením rychlosti míchání pomocí RGB analýzy. Bylo zjištěno, že míchací element typu Maddock s podřezanou smykovou štěrbinou a stírací plochou, generoval vrstvičku polymerní taveniny rotující blízko stěny komory mající zdržnou dobu mnohonásobně delší, než průměrná zdržná doba. Celková míchací účinnost obou testovaných míchacích elementů však byla prakticky totožná. V poslední části práce byla provedena detailní 3D FEM analýza pomocí dvou odlišných reologických modelů s cílem pochopit proces míchání uvnitř vlnového šneku. Pro účely kvantifikace míchání byly navrženy dvě kritéria v závislosti na podřezání bariéry oddělující dva vlnové kanály. Bylo prokázáno, že nejvyšší míchací účinnosti je možné dosáhnou vybalancováním disperzních a distributivních složek míchání specifickou změnou designu vlnového šneku.

Keywords

míchání, fluted mixer, FusionTM vlnový šnek, smykové napětí, elongační napětí

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 8. 2014

Accessible from:: 29. 8. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 17. 10. 2014

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds