Neue Methode verbessert Polymermischung bei Schraubenausdruck

Bei Kunststoffextrusionsprozessen ist die gleichmäßige Durchmischung ein entscheidender Faktor für die Produktqualität. Dies ist besonders wichtig bei der Einarbeitung von Farbmasterbatches mit geringem Anteil, bei denen die Rückmischung – das axiale Gegenstrommischen von Materialien – eine wesentliche Rolle spielt. Der Prozess erfordert, dass die Masterbatch-Partikel im Extruder eine dramatische Größenverkleinerung von Millimeter- auf Mikrometer-Maßstab erfahren, was außerordentliche Herausforderungen beim Mischen mit sich bringt.

Ziel des Extrusionsmischens ist es, eine homogene Verteilung der Komponenten zu erreichen und so konsistente Produkteigenschaften wie Farbe und mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Bei der Zugabe von Masterbatches mit geringer Konzentration kann die anfängliche Partikeltrennung mehr als 100 mm betragen. Um eine gleichmäßige Färbung zu erreichen, muss die endgültige Streifendicke den Mikrometerbereich erreichen – eine Reduzierung um fünf Größenordnungen, die eine außergewöhnliche Mischfähigkeit erfordert.

Die traditionelle Analyse konzentriert sich auf die Querschnittsmischung (innerhalb des Schneckenkanalquerschnitts), die durch die Couette-Schergeschwindigkeit bestimmt wird:

γ = πDN/H

Dabei ist D = Zylinderdurchmesser, N = Schneckengeschwindigkeit, H = Kanaltiefe. Typische Schergeschwindigkeiten (50–100 s⁻¹) in Kombination mit Verweilzeiten von 20 Sekunden ergeben insgesamt 1.000–2.000 Scherdehnungseinheiten – ausreichend für eine Reduzierung der Streifenbildung dreifacher Ordnung, aber oft unzureichend für eine optische Gleichmäßigkeit.

Axiales Mischen (Rückmischen) hingegen ist eine druckgetriebene Strömung entlang der Extruderachse. Das Verständnis dieses Mechanismus ist für die Optimierung des Schraubendesigns von entscheidender Bedeutung.

Für Potenzgesetzflüssigkeiten (τ = m(γ')ⁿ) bezieht sich die dimensionslose Geschwindigkeit φ=v/vmax auf die dimensionslose Koordinate ξ=2y/H wie folgt:

φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)

Newtonsche Flüssigkeiten (n=1) weisen parabolische Geschwindigkeitsprofile ohne Scherung an der Mittellinie auf, wodurch Mischtotzonen entstehen. Wenn n abnimmt (strukturviskoses Verhalten), nähern sich die Profile der Pfropfenströmung an, wodurch Bereiche mit geringer Scherung ausgeweitet werden und die Rückvermischung erschwert wird.

Die RTD-Analyse zeigt, wie die Materialverweilzeiten im Extruder variieren. Für den Potenzgesetz-Druckfluss zwischen parallelen Platten:

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

Die externe RTD-Funktion f(t)dt leitet sich aus der Geschwindigkeitsverteilung ab und zeigt, dass eine stärkere Scherverdünnung (niedrigeres n) den RTD verringert und damit die Effizienz der Rückvermischung verringert. Pinto-Tadmors Einschnecken-RTD-Modell für Newtonsche Flüssigkeiten:

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

zeigt, wie die Schneckengeometrie RTD im Vergleich zu Parallelplatten-Szenarien weiter einschränkt, wobei die Herausforderungen bei der Rückvermischung hervorgehoben werden.

Die Hauptprobleme ergeben sich aus der axialen Scherung nahe Null in der Mitte des Schraubenkanals. Effektive Lösungen umfassen:

• Mischstifte/-schlitze:Unterbrechen Sie Strömungsmuster, um Material neu zu verteilen
• Inside-Out-Mischer:Versetzte Flüge transportieren Kernmaterial aktiv an die Kanalperipherie
• CRD-Mischer:Spezielle Konstruktionen, die den radial-axialen Materialaustausch fördern
• Reduzierung der Partikelgröße:Ein kleinerer Ausgangsstoff verringert die anfängliche Streifendicke
• Flüssige Farbstoffe:Reduziert die anfängliche Streifenbildung, kann jedoch die Schmierung des Laufs beeinträchtigen

Aufgrund der inhärent geringen axialen Scherung, insbesondere in Kanalmitten und bei strukturviskosen Materialien, bleibt das Rückmischen die anspruchsvollste Mischaufgabe der Extrusion. Um eine Reduzierung der Streifenbildung um fünf Ordnungen zu erreichen, sind entweder fortschrittliche Mischgeräte (wie Inside-Out- oder CRD-Mischer) oder eine reduzierte anfängliche Streifenbildung durch Rohstoffmodifikationen erforderlich. Zukünftige Innovationen könnten geometrische Optimierung mit fortschrittlichen Materialhandhabungstechniken kombinieren, um diese anhaltenden Herausforderungen zu bewältigen.