Nieuwe methode verbetert het mengen van polymeren bij schroefextrusie

Bij kunststofextrusieprocessen is uniforme menging een cruciale factor die de productkwaliteit bepaalt. Dit wordt vooral cruciaal bij het integreren van kleurmasterbatches met een laag percentage, waarbij backmixing (het axiale tegenstroommengen van materialen) een essentiële rol speelt. Het proces vereist dat masterbatch-deeltjes in de extruder een dramatische verkleining van millimeter- tot micrometer-schaal ondergaan, wat buitengewone menguitdagingen met zich meebrengt.

Extrusiemengen heeft tot doel een homogene verdeling van componenten te bereiken, waardoor consistente producteigenschappen zoals kleur en mechanische eigenschappen worden gegarandeerd. Bij het toevoegen van masterbatches met een lage concentratie kan de initiële deeltjesscheiding groter zijn dan 100 mm. Om een ​​uniforme kleuring te bereiken moet de uiteindelijke streepdikte de schaal van een micrometer bereiken – een reductie van vijf ordes van grootte die een uitzonderlijk mengvermogen vereist.

Traditionele analyse richt zich op het mengen in dwarsdoorsnede (binnen de dwarsdoorsnede van het schroefkanaal), bepaald door de Couette-afschuifsnelheid:

γ = πDN/H

Waar D = cilinderdiameter, N = schroefsnelheid, H = kanaaldiepte. Typische afschuifsnelheden (50-100 s⁻¹) gecombineerd met een verblijftijd van 20 seconden leveren 1.000-2.000 totale schuifspanningseenheden op - voldoende voor drie orde striatiereductie, maar vaak onvoldoende voor visuele uniformiteit.

Axiaal mengen (terugmengen) is daarentegen een door druk aangedreven stroming langs de as van de extruder. Het begrijpen van dit mechanisme blijkt van cruciaal belang voor het optimaliseren van het schroefontwerp.

Voor vloeistoffen volgens de machtswet (τ = m(γ')ⁿ) heeft de dimensieloze snelheid φ=v/vmax betrekking op de dimensieloze coördinaat ξ=2y/H als:

φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)

Newtoniaanse vloeistoffen (n=1) vertonen parabolische snelheidsprofielen zonder afschuiving op de middellijn, waardoor dode zones voor het mengen ontstaan. Naarmate n afneemt (afschuifverdunningsgedrag), benaderen profielen de propstroom, waardoor gebieden met lage afschuiving worden uitgebreid en het terugmengen wordt bemoeilijkt.

RTD-analyse laat zien hoe de verblijftijden van materialen variëren binnen de extruder. Voor krachtwet-drukstroom tussen parallelle platen:

v(y) = v_max * [1 - (2|y|/H)^((n+1)/n)]

De externe RTD-functie f(t)dt is afgeleid van de snelheidsverdeling, wat aantoont dat verhoogde afschuifverdunning (lagere n) de RTD vernauwt, waardoor de terugmengefficiëntie afneemt. Pinto-Tadmor's RTD-model met enkele schroef voor Newtoniaanse vloeistoffen:

F(θ) = 1 - (1 - θ)²(1 + 0,35θ + 0,135θ²)

laat zien hoe de schroefgeometrie RTD-scenario's verder beperkt ten opzichte van scenario's met parallelle platen, waarbij de nadruk wordt gelegd op uitdagingen op het gebied van terugmenging.

Belangrijke problemen komen voort uit een vrijwel nul axiale afschuiving in schroefkanaalcentra. Effectieve oplossingen zijn onder meer:

• Mengpinnen/sleuven:Verstoor stroompatronen om materiaal te herverdelen
• Inside-out mixers:Offsetvluchten brengen kernmateriaal actief over naar de periferie van het kanaal
• CRD-mengers:Gespecialiseerde ontwerpen die de radiaal-axiale materiaaluitwisseling bevorderen
• Verkleining van de deeltjesgrootte:Een kleinere grondstof vermindert de initiële streepdikte
• Vloeibare kleurstoffen:Vermindert de initiële strepen, maar kan de smering van het vat beïnvloeden

Terugmengen blijft de meest veeleisende mengtaak van extrusie vanwege de inherent lage axiale afschuiving, vooral in kanaalcentra en bij afschuifverdunnende materialen. Om een ​​reductie van vijf orde strepen te bereiken zijn geavanceerde mengapparatuur nodig (zoals inside-out- of CRD-mengers) of verminderde initiële strepen door aanpassingen aan de grondstoffen. Toekomstige innovaties kunnen geometrische optimalisatie combineren met geavanceerde materiaalbehandelingstechnieken om deze aanhoudende uitdagingen te overwinnen.