Viskoelastické modelování extruzního lití polymerních tavenin na válec: Výzkum stability toku

Ing. Tomáš Barbořík

Doctoral thesis

Viscoelastic Modeling of Extrusion Film Casting for Polymer Melts: Investigation of Flow Stability

Abstract:

In the first part of this Ph.D. Thesis, the extrusion film casting process has been presented and negative phenomena that represent serious process limitation have been discussed. Following section is dedicated to the listing of both experimental and theoretical works and different mathematical models describing the extensional kinematic in film casting that have been published since 1970s. In the next section, novel viscoelastic extrusion film casting model utilizing 1.5D membrane approximation was derived considering single-mode modified Leonov model as the viscoelastic constitutive equation, energy equation, constant heat transfer coefficient, advanced crystallization kinetics taking into account the role of temperature, cooling rate and molecular stretch, crystalline phase dependent modulus and temperature dependent relaxation time. The model has been successfully validated for branched low-density polyethylenes and linear isotactic polypropylenes by using suitable experimental data taken from the open literature. The model has consequently been used for systematic parametric study in order to reveal the role of variety dimensionless variables (such as planar to uniaxial extensional viscosity ratio, extensional strain hardening, Deborah number, second to first normal stress difference ratio at the die exit, draw ratio, heat transfer coefficient and flow induced crystallization) on polymer melt/solid behavior during the extrusion film casting process with specific attention to unwanted neck in phenomenon. Obtained knowledge together with the suggested model can be used for optimization of the extrusion die design (influencing flow history and thus die exit stress state), molecular architecture of polymer melts, processing conditions in order to minimize neck-in phenomenon as well as to optimize the production of flat polymeric films and porous membranes via extrusion film casting technology.

Abstract:

Úvodní část této disertační práce je věnována popisu výroby tenkých polymerních filmů pomocí technologie lití na válec a souvisejících nestabilit toku, které mohou, pokud nastanou, redukovat procesní okno, a tak významným způsobem přispět k omezení produktivity a efektivity této technologie. V navazující části je podán přehled prací věnovaných této problematice jak z hlediska experimentálního, tak teoretického se zvláštním zřetelem na matematické modely popisující kinematiku daného procesu, které svým vznikem sahají až do 70. let minulého století. V další části práce je odvozen nový viskoelastický model pro technologii extruzního lití na válec, který je založen na 1.5D membránové aproximaci, konstituční rovnici modifikovaného Leonovova modelu, rovnici energie uvažující konstantní součinitel přestupu tepla, pokročilé kinetice krystalizace zohledňující vliv teploty, rychlosti chlazení a intenzity protažení makromolekulárních řetězců, dále na krystalinitě závislém modulu a teplotně závislém relaxačním čase. Model byl úspěšně validován pro rozvětvené nízkohustotní polyethyleny a lineární izotaktické polypropyleny za použití vhodných experimentálních dat převzatých z dostupné literatury. Následně byla provedena systematická parametrická analýza s cílem odhalit vliv materiálových a procesních parametrů vyjádřených pomocí řady, převážně bezrozměrných proměnných (jako např. poměru planární a jednoosé tahové viskozity, stupně zatvrzení při jednoosém protahování, Debořina čísla, poměru druhého a prvního rozdílu normálových napětí na konci vytlačovací hlavy, dloužícího poměru, koeficientu přestupu tepla nebo molekulárního protažení vedoucího k tokem indukované krystalizaci) na chování polymerní taveniny při procesu odlévání vytlačovaného filmu na válec se zvláštní pozorností k nežádoucímu jevu neck-in. Získané poznatky společně s nově navrženým modelem je možné využít k optimalizaci designu vytlačovacích hlav (ovlivňující tokovou historii a napětí na konci výstupní štěrbiny), molekulární architektury polymerních řetězců a zpracovatelských podmínek, a to jak za účelem minimalizace nestabilit typu neck in, tak k optimalizaci výroby plochých polymerních fólií a polopropustných membrán pomocí technologie extruzního lití na válec.

Keywords

Extruzní lití na válec, Neck-in defekt ("krčkování"), Viskoelastické modelování, Numerická analýza, Polymer, Jednoosá, tahová viskozita, Planární tahová viskozita, Zatvrzování, Teplotou a tokem indukovaná krystalizace, Koeficient přestupu tepla, Konstituční rovnice, Modifikovaný Leonovův model.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 10. 2018

Thesis defence

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

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