Untersuchungen des Strömungsverhaltens von Polymerschmelzen in Breitschlitzdüsen mit der Laser-Doppler Anemometrie
Final Report Abstract
Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung von Geschwindigkeitsfeldern polymerer Schmelzen innerhalb und außerhalb einer Kleiderbügeldüse in Abhängigkeit von Prozessparametern und dem molekularen Aufbau der verwendeten Polypropylene (PP). Die Geschwindigkeitsfelder innerhalb der Düse wurden mit der Laser-Doppler Anemometrie (LDA) und diejenigen außerhalb der Düse im Bereich zwischen Düsenaustritt und Kühlwalze mit der Particle Image Velocimetry (PIV) bestimmt. Das lineare L-PPl, für das die Breitschlitzdüse rheologisch ausgelegt wurde, zeigt ab einem bestimmten Durchsatz V eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über die Düsenbreite. Durch Untersuchungen eines zweiten linearen (L-PP2) und eines langkettenverzweigten Materials (LCB-PP) wurde gefunden, dass die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Breitschlitzdüse sehr stark durch den Fließexponenten der Schmelze beeinflusst wird. Eine Dehnverfestigung des Materials (LCB-PP) hingegen wirkt sich nicht auf die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Düse aus. In dem für die LDA zugänglichen Bereich konnte keine Beeinflussung der Strömung durch am Düsenausgang wirkende Abzugskräfte beobachtet werden. Eine Veränderung des Inselfeldspalts im Werkzeug wirkt sich nur geringfügig aufdie Geschwindigkeitsverteilung in der Düse aus. Die Messungen außerhalb der Düse für die zwei linearen Polypropylene L-PPl und L-PP2 weisen darauf hin, dass das Neck-In Verhalten und die Geschwindigkeitsverteilungen enflang der Folie durch elastische Effekte des Materials, die während der Verarbeitung auftreten, beeinflusst werden. Eine höhere Elastizität führt zu einer Reduzierung des Neck-In und bewirkt einen geringeren Geschwindigkeitsanstieg in der Folie, nachdem diese die Düse verlassen hat. Übersteigt bei den linearen Materialien das Abzugsverhältnis einen kritischen Wert Drc, wird der Verstreckprozess instabil (Draw Resonance). Die Langketten Verzweigungen des LCB-PP und die daraus resultierende Dehnverfestigung des Materials wirken sich stabilisierend auf den Verstreckprozess außerhalb der Düse aus. Die Dehnverfestigung führt bei höheren Abzugsverhältnissen Dr zu einer Reduzierung des Neck-In und zur Unterdrückung der Draw Resonance. Mit dem Projekt ist es gelungen, eine Anlage im Technikumsmaßstab aufzubauen und Verfahren zu etablieren, die es erlauben, sowohl das Fließverhalten von Polymerschmelzen innerhalb der Breitschlitzdüse als auch den Verstreckprozess außerhalb der Breitschlitzdüse über optische Methoden quantitativ zu erfassen. Die nunmehr möglichen detaillierten Untersuchungen von Geschwindigkeitsfeldern bei der Breitschlitzextrusion von Polymerschmelzen innerhalb und außerhalb der Düse können für gezielte Produkt- und Werkzeugoptimierungen im Technikumsmaßstab verwendet werden.
Publications
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An experimental investigation of the draw-resonance phenomenon during film casting of polypropylene melts Poster: POLYCHAR 20 World Forum on Advanced Materials, 26-30 March 2012 Dubrovnik, Croatia
E. Grieß, H. J., Burghelea T. L, Schubert, D.W., Münstedt, H.
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An in-situ investigation of the draw-resonance phenomenon in film casting of a polypropylene melt. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (2012) 174,87-96
Burghelea, T. I., Grieß, H. J., Münstedt, H.
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Velocity measurements on a polypropylene melt during extrusion through a flat coat-hanger die. Polymer Engineering and Science (2012) 52,615-624
A. Grieß, H. J., Burghelea, T. L, Münstedt, H.
