Analyse dispersiver Mischprozesse in Kunststoffschmelzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285787361

Thermoplastische Kunststoffe sind gegenüber Metallen, keramischen Werkstoffen und weiteren organischen und anorganischen Stoffen besonders vielseitig einsetzbar. Dieses Einsatzpotential verdanken sie ihrer thermoplastischen Verarbeitbarkeit bei vergleichsweise niedrigen Verarbeitungstemperaturen und ihrer einfachen Modifizierbarkeit zur Erzielung anwendungsspezifischer Eigenschaften (z.B. durch Zugabe von festen und flüssigen Additiven sowie funktionellen Komponenten, durch Generierung von Blends mit definierter Morphologie, usw.). Hierbei ist die mischtechnische Homogenität der Kunststoffschmelze wichtigstes Kriterium für die Produktqualität in Kunststoffaufbereitungs- und Kunststoffverarbeitungs-prozessen. Die Grundlagen für die Beschreibung und die Quantifizierung der stofflichen Homogenität in komplexen Stoffsystemen wie Polymerblends und additivierter Kunststoffe sind nur unzureichend entwickelt. Aus diesem Grund sollen kontinuumsmechanische Grundlagen für Mischvorgänge in dem geplanten Forschungsvorhaben erarbeitet werden. Das strukturviskose Fließverhalten und die viskoelastischen Eigenschaften der Polymerschmelze beeinflussen die dispersiven Mischvorgänge. Die numerische Simulation der Strömung im Keilspalt-Flachspalt-System (KFS) mit Hilfe der Finiten - Differenzen-Methode (FDM), bietet die Möglichkeit, die zur Tropfenzerkleinerung erforderlichen Dehn- und Scherdeformationen sowie die zum Tropfenbruch notwendige kritische Dehnspannungen zu ermitteln und so Auslegungskriterien und Betriebsweisen für dynamische Mischer gezielt festzulegen. Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, die überlagerte planare Dehn- und Scherströmung im KFS, der das Grundelement dispersiv wirkenden Scherteile repräsentiert, für hochviskose Kunststoffschmelzen unter Berücksichtigung von deren strukturviskosen Fließverhalten und viskoelastischen Deformationsverhalten zu berechnen. Eine umfassende Darstellung der aus der Strömungsberechnung abgeleiteten lokalen Dehn- und Scherdeformationen, Dehn- und Schergeschwindigkeiten, Normal- und Schubspannungszustände sowie Verweilzeiten soll Aufschlüsse über die bisher kaum erforschte und analysierte Wirksamkeit dispersiver Scherteile geben. Ferner soll das dabei entstehende Rechenprogramm als Tool zur Auslegung und Optimierung dispersiv wirkender Mischergeometrien in Extrudern dienen. Die Ergebnisse der mit der FDM berechneten Strömung im KFS müssen experimentell überprüft bzw. verifiziert werden. Eine für Kunststoffschmelzen geeignete Versuchseinrichtung soll daher zur Erzeugung kleiner Schmelzetropfen, die nahe am Eintritt des dispersiv wirkenden Scherteils in den Hauptstrom der kontinuierlichen Phase in Extrusionsrichtung eingespritzt werden, neu entwickelt und eingesetzt werden. Tropfendeformation und -bruch sollen analysiert und mit berechneten Werten verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen