Vorhersage der Morphologie in heterogenen Kunststoffblends während der Einschneckenextrusion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523800309

Thermoplastische Kunststoffe werden in einer Vielzahl von Verfahren verarbeitet. Dieses Einsatzpo-tential verdanken sie vor allem ihrer vergleichsweise niedrigen Verarbeitungstemperaturen und ihrer einfachen Modifizierbarkeit zur Erzielung anwendungsspezifischer Eigenschaften, wie z. B. durch die Zugabe von Additiven oder funktionellen Komponenten zur Generierung von Blends. Hierbei ist in Kunststoffaufbereitungs- und -verarbeitungsprozessen die Homogenität der Komponenten in der Kunststoffschmelze das wichtigste Kriterium für die Produktqualität. Über distributive und dispersive Mischprozesse kann eine Homogenisierung der im schmelzeflüssigen Zustand vorliegenden Poly-mermischung erreicht werden. Hierfür stehen bei der Aufbereitung und Verarbeitung mithilfe von Ein- und Dopppelschneckenextrudern unterschiedlichste Mischelemente zur Verfügung, über die die Mischeffizienz beeinflusst werden kann. Eine große Herausforderung ist hierbei sowohl die korrekte Auslegung dieser Mischergeometrien als auch die Wahl der zugehörigen Prozesseinstellungen für die Verarbeitung, welche letztendlich die Produktqualität maßgeblich beeinflussen. Zur Auslegung und Verbesserung der Mischergeometrien und den Prozesseinstellungen bietet die numerische Simulation von Kunststoffschmelzen die Mög-lichkeit, diese Auslegungsschritte signifikant zu verkürzen. Hierzu müssen jedoch Dehn- und Scher-deformationen simulativ abgebildet werden können, die zur Homogenisierung der unmischbaren Kunststoffblends führen, um so Auslegungskriterien und Betriebsweisen für dynamische Mischer gezielt festlegen zu können. Hier soll das angestrebte Forschungsvorhaben ansetzen, indem das Know-how der Forschungsstel-le des Antragstellers zur Vorhersage der Mischeffizienz von heterogenen Kunststoffblends gebündelt und erweitert werden soll. Ziel ist es, ein allgemein gültiges Modell zu entwickeln, welches dispersi-ves Mischen in Abhängigkeit von Aufbruch- und Koaleszenzvorgängen unter Berücksichtigung der Intensität verschiedener Deformationsarten und Haftvermittler beschreiben kann. Dieses Modell soll zudem strukturviskoses Fließverhalten berücksichtigen. Dafür müssen zunächst Grundlagen entwi-ckelt werden, um ein tiefgreifendes Verständnis des Topfenverhaltens in einer Kunststoffschmelze in Abhängigkeit von verschiedenen Deformationsarten zu erhalten. Hier soll ein speziell zu entwickeln-der Couette-Rheometer konzipiert und verschiedene Geometrien untersucht werden, die unter-schiedliche Strömungsfelder und damit unterschiedliche Deformationen in einer Kunststoffschmelze induzieren. Auf Basis dieser Erkenntnis soll das Modell entwickelt und für realitätsechte Kunst-stoffverarbeitungsprozesse angewendet und validiert werden, in dem die Mischzone eines Ein-schneckenextruders simuliert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen