Lektion 2 Extrusion Blasformen

Bachelorstudiengang Materialwissenschaft, ETH ZürichGrundlagenfächer Teil 3Frühjahrsemester 2008

Polymere IITeil 2: Technologie der Polymere

2. Lektion: Urformen IExtrudieren / Blasformen

Thomas SchweizerInstitut für Polymere

FS09 2/1

FS09 1/2

Einteilung Polymerer Werkstoffe: Nach Klassen

vernetzt unvernetzt

Duroplaste Elastomerechemisch vernetzt

TPEphysikalisch vernetzt

Thermoplaste

teilkristallin amorph

Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, Hanser, 2007

plas

tisch

eFo

rmge

bung

Ord

nung

s-zu

stan

dTh

erm

isch

-mec

hani

sche

sV

erha

lten

Rep.

FS09 1/3

Einteilung Polymerer Werkstoffe: Nach Modifizierung

chemische Modifizierung

phys

ikal

isch

e M

odifi

zier

ung

A+B→AAABAABBBABAAA+B→ABABABABABABAA+B→AAAAABBBBAAAAABBBBA+B→AAAAAAAAAAAA

BBB

HomopolymerKatalysator

Polymerisations-bedingungen

Mw, Mw/MnVerzweigungsstruktur

- Verarbeitungsverhalten- mechanische Eigenschaften- Kristallisationsverhalten

CopolymerRandom~Alternierendes ~Block ~Pfropf ~

- Steifigkeit- Schlagzähigkeit- Chem. Beständigkeit- Verarbeitbarkeit- Preis- TPE

BlendsHomo~

Hetero~

- Verarbeitbarkeit

- neue Eigenschaften f(A+B) ≠ f(A)+f(B)

- Kompromiss: begrenzte Eigenschaften der Standard-Polymerehoher Preis der technischen Polymere

Modifizierung durch Zusatzstoffe

Erhöhung der Ordnung

Rep.

FS09 1/4

Vom Polymer zur Formmasse

Polymere Rohstoff(e) + Zusatzstoff(e) → Kunststoff-Formmasse

Modifizierung


distributivesMischen

dispersivesMischen

Rep.

Inhalt

• ExtrusionExtrudertypenKennfeldFolgeanlagen

• BlasformenExtrusionblasformenSpritz-Streckblasformen

FS09 2/5

Aufgaben des Extruders:

• Einziehen• Aufschmelzen und Fördern• Verdichten• Plastifizieren• Homogenisieren• Pumpen

Der Extruder: Aufgaben

Homogenisierung Kompression Einzug


2.4 Zusammenfassung2.3 Blasformen2.2 Extrusion Folgeanlagen2.1 Extrusion Grundlagen

FS09 2/6

Geometrie der einfachen Schnecke

http://www.mb.hs-wismar.de/~hansmann/Downloads/MEng/Kunststofftechnologie/Extrusion/Extrusion_1_Einfuehrung_und_Einschneckenextruder.pdf

h3

h1

Gangtiefeh1Einzugszone

Gangtiefeh3Ausstosszone

Gangtiefe [mm]

Schneckendurchmesser [mm]


Ds

Spielca.1-3%ovon Ds

FS09 2/7

20 <

L/D

S<

25

Typen von Extrudern

Extrudertyp Vorteile Nachteile

Einschnecken • preiswert, robust, wenig überlastempfindlich

• bessere Mischwirkung als DSE

• Förderung von Wandhaftung abhängig

• Druckströmung

Doppelschnecken Gegenläufer

• Zwangsförderer (z.B. für pulverförmiges PVC)

• guter Druckaufbau

• viele Schneckengeometrien möglich

• bessere Entgasung als Gleichläufer

• Langsamläufer

• Profilextrusion

• schlechter Mischer

• genaue Dosierung notwendig

• Überlastung bei Überfütterung

Doppelschnecken Gleichläufer

• gute Selbstreinigung

• Schnellläufer

• Mischer (Compoundierung)

• genaue Dosierung notwendig

• Überlastung bei Überfütterung

• eingeschränkte Schneckengeometrien

DSE generell • rasches Aufschmelzen

für reaktive Verarbeitung geeignet

• Drucklager der Schnecken (Platz)


FS09 2/8

n >

150

rpm

n >

1000

rpm

Pumpvermögen und Mischeffizient im DSE


FS09 2/9

Pumpvermögen QA→B / QGegenläufer 1.4 0.02Gleichläufer 1 0.83

0.4s 0.8s

Tadmor, Principles of Polymer Processing, 2006

Der Einschnecken-Extruder: Einzugsverhalten

• Die Ausstossleistung eines Extruders wird massgeblich vonseinen Einzugseigenschaften bestimmt.

• Bei nicht-zwangsfördernden Einschnecken-Extrudern gilt:

G. Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik,1963http://www.mb.hs-wismar.de/~hansmann/Downloads/MEng/Kunststofftechnologie/Extrusion/Extrusion_1_Einfuehrung_und_Einschneckenextruder.pdf

Haf

treib

ungs

zahl

Einzug ist von Wand-haftung abhängig

Abhängigkeit von Wand-haftung reduziert


FS09 2/10

2.4 Zusammenfassung2.3 Spritzgiessen2.2 Blasformen2.1 Extrudieren

Schneckentypen und Aufschmelzvorgang

A

B A

B

SchmelzedickeWandgeschwindigkeitQ

A

B

AB

Housz JFI, M. H. (1981). "The melting performance of single screw extruders."Polym. Eng. Sci., 21(6): 352-359.Fischer P, Wortberg J (1997). Einschneckenextruder und Barriereschnecken.Der Einschneckenextruder - Grundlagen und Systemoptimierung, Baden-Baden, VDI.

Maillefer-Schnecke

← Treibende Flanke

Einzug

FS09 2/11

Q

(Polyamidschnecke)

2.4 Zusammenfassung2.3 Spritzgiessen2.2 Blasformen2.1 Extrudieren

Schnecken: Entgasung

Fritz HG (1983). "Entwicklungstendenzen beiEinschneckenextrudern."Chem. Ing. Technik 55(4): 256-266.

Die Variation des Kernquerschnitts erlaubt dasEinrichten druckloser Abschnitte, aus denenflüchtige Stoffe abgesaugt, aber auch Gase undFlüssigkeiten zudosiert werden können.

flüchtigeStoffe

Zwischen-granulat-volumen

FS09 2/12

Druckaufbau


Druckströmung

Schleppströmung

FS09 2/13

Der (Einschnecken-)Extruder als Pumpe


Geometrie der einfachen Schnecke mitquadratischer Geometrie Ds = Ls, d.h. θ = 17.7°vb = nπDb: Schneckenumfangsgeschwindigkeit

3b

d p d pv WH WH PQ Q Q cos F sin F

2 12 LΔ⎛ ⎞= + = θ ⋅ + − θ ⋅⎜ ⎟η ⎝ ⎠

Arbeitsgleichung des Extruders fürvereinfachte Randbedingungen:• Newton'sche Flüssigkeit• Isotherme Verhältnisse• Rückströmung über die Stege vernachlässigbar

Tadmor, Gogos: Principles of Polymer Processing, Wiley, 2006

xz

l nDb

Schlepp-strömung

Druck-strömung

Formfaktoren für verschiedene AchsenverhältnisseH/W des Kanals (Einfluss des Stegs auf Strömung)

flacherKanal

tieferKanal

für ΔP=0 erhält man sofort den maximalen Durchsatz,

bmax d b

v WHQ cos F 0.24 v WH2

= θ ⋅ ≈ ⋅

für Q=0 den maximalen Druck:

b d bmax 2 2

p

6v L F v LP 18.8H tan F H

η η= ≈ ⋅

θ

vb = nπDb: Schneckenumfangsgeschwindigkeit

Als dritte Grösse erhält man für die Steigung der Schneckenkennlinie3 2 3

max b b

max

Q D H sin D H0.024P 12 L L

π θ− = − ≈ − ⋅

η η

=π·Ds·sinθ

FS09 2/14

Barrel (b)

Strömungsprofile im Schneckenkanal


Strömungsgeschwindigkeiten im Schneckenkanal

vb=nπDb: Schneckenumfangsgeschwindigkeit

Nor

mie

rte

Gan

gtie

fe y

/H

Düs

ebl

ocki

ert

ohne

Düs

e

Tadmor, Gogos: Principles of Polymer Processing, Wiley, 2006

2/3

1/3

xz

l nDb

Rück-strömung

Beachten:Obwohl es eine Rückströmungim Kanal in z-Richtung gibt, istderen Betrag so gering, dasskeine Schmelze in l-Richtungim Extruder zurückfliesst.

FS09 2/15

pl

b d

Qv 3 (1 ) 1 sin cosv Q

⎛ ⎞= ξ − ξ + θ θ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Energiebilanz


Tadmor, Gogos: Principles of Polymer Processing, Wiley, 2006Rauwendaal: Polymer Extrusion, Hanser, 2001

Spez. Antriebsleist.2

tot b2

E 2 v L 1 3a 4 tanQ H 1 a

η + + θ≈

−

Führt man den Drosselkoeffizienten a (0<a<1) ein

ΔP/L<0: Druckströmung inAusstossrichtung

a = 0: ohne Düsea = 1: Düse blockiert

damit wird bv WHQ (1 a) cos2

= − θ

Druck

tot

E Q P 3a(1 a)rE E 1 3a 4 tan

Δ −= = =

+ + θWirkungsgrad

Für θ=17.7° is r nur etwa 28% (praktisch um 10%)Nur <28% der Motorleistung werden effektiv

zum Pumpen verwendet, der Rest wird dissipiert.

Transversalströ-mung: Trägt nichtzu Q, aber zurEnergiedissip. bei

quad

ratis

che

Schn

ecke

FS09 2/16

22 2 2b f

totf

v LW H eE cos 4sin a 3cosH sin W

⎡ ⎤η η= θ + θ − ⋅ θ +⎢ ⎥⋅ θ η δ⎣ ⎦

22 2 2 2b f

dissf

v LW H eE cos 4sin a 3cosH sin W

⎡ ⎤η η= θ + θ + ⋅ θ +⎢ ⎥⋅ θ η δ⎣ ⎦

Schlepp- Transversal- Druck- Flankenströmung

Antriebsleistung

Dissipierte Leistung

2p

d b

Q P H tanaQ L 6 v

Δ θ⎛ ⎞= = −⎜ ⎟ η⎝ ⎠

r

a

Der Extruder als Pumpe

Gerhard Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik, Hanser, 1963

Stro

m I

Spannung p

Widerstandskennlinie(Verbraucherkennlinie)

A: Arbeitspunkt

Stromquellenkennlinie(Generatorkennlinie)

Imax

IA

pApmax

0(Leerlauf-spannung)

(Kurz-schluss-strom)

Dur

chsa

tz Q

Druck p

Düsenkennlinie(Verbraucherkennlinie)

A: Arbeitspunkt

Schneckenkennlinie(Generatorkennlinie)

Qmax

QA

pApmax

0

zune

hmen

de

Drehz

ahl


FS09 2/17

Der Extruder als Pumpe: Das Extruderkennfeld (I)

Gerhard Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik, Hanser, 1963

Spritzwerkzeug mithohem Widerstand

flach geschnitteneSchnecke

Dur

chsa

tz Q

Druck p

Spritzwerkzeug mitniedrigem Widerstand

A

tief geschnitteneSchneckeQmax

p* pmax0

A'

B

B'

Der Durchsatz Q wird beeinflusst durch:• Schneckengeometrie (Schneckenkennlinie S)• Schneckendrehzahl n• Geometrie des Extrusionswerkzeugs (Werkzeugwiderstand)• Fliessverhalten der Kunststoffschmelze


FS09 2/18

S

S

Wärmebilanz im Extruder (I)

G. Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik,1963

Spezifische Energie zum Erwärmenverschiedener Polymere auf die

angegebene Temperatur

P + H = Q·(T2 - T0)·ρ·cp + Q·pDüse + VerlusteAntriebs-leistung

Heiz-leistung

potentielle Ener-gie vor der Düse

Wärmeinhaltder Schmelze


Schnecken-kühlung

Strahlung

Einzugs-kühlung

Konvektion

T2T0

Domininghaus, 2006

FS09 2/19

G. Schenkel,Kunststoff-Extruder-technik,1963

Diagramm berechnet für PE-LD (MFI 2.0)


2/3L1/3L

Kurzkompres-sionsschneckemit D=90 mm

Wärmebilanz im Extruder (II)

THeizung = 183°CTHeizung = 142°C

T2-T1: Temperaturanstiegin der Meteringzone

Effekt der Scher-erwärmung

T1-T0: Temperatur am Eintrittin die Meteringzone

Effekt der äusserenBeheizung

Unter gewissenBetriebsbeding-ungen kann diegewünschteProdukttemp-eratur in zweiBetriebspunk-ten ( )erreicht werden.

Einfluss von Düsenmit zunehmendemStrömungswiderstand

T0T1T2

FS09 2/20

Düsenwiderstand: Rohrströmung

Aus dem Kräftegleichgewichtam Zylinder erhält man:

Hagen-Poiseuille Gesetz

21,R a3

4QR

γ = = γπ

a = scheinbar

21a

a

pη =

γ

4R dpQ8 dl

π=

η

Mit dem allgemeinen Newton-schen Fliessgesetzt erhält man:

Q 21r dpp2 dl

= ⋅

Grundlage der Viskositäts-bestimmung durchKapillar-Rheometrie


FS09 2/21

Düseneinlaufströmung: Bagley-Korrektur

An schroffen Querschnittsverengungen bilden sich in viskoelastischen FlüssigkeitenEinlaufwirbel. Diese Wirbel am Laufen zu halten bedarf eines zusätzlichen Druck-anteils pc, der für quantitative Messungen (Kapillarrheometrie) berücksichtigt werdenmuss (Korrektur nach Bagley).

-5 0 5 10 150

5

10

15

D=2000 s-1

D=600 s-1

D=200 s-1

Ext

rusi

onsd

ruck

pS [M

Pa]

Geometrie L/D [-]

D=60 s-1

e

pc

Bagley E.B. (1957). "End corrections in the capillary flow of polyethylene", J. Appl. Phys. 28(5): 624-627.Kurs, J. Meissner, 1980 "Rheologie von Polymerschmelzen"

Virtuelle Ver-längerung eder Düse in

der Schmelze

e

Geometrie L/d [-]

d L


FS09 2/22

Die Wirbelbildung ist materialabhängig

Düseneinlaufströmung: Rabinowitsch-Weissenberg -Korrektur

Rohrströmung

Fliessver-halten nachdem Potenz-gesetz:

k21| | A | p |γ =

k=1:NewtonscheFlüssigkeitk=∞:Festkörper,Pfropfströmung

Bei strukturviskosem Verhalten

ist der Durchsatz bei gleicherDruckdifferenz höher als fürden Newton'schen Fall. Des-halb muss nachRabinowitsch-Weissenbergkorrigiert werden.

γ

konst. f( )η ≠ = γ


FS09 2/23

Extruderfolgen: Düsen

Werkzeug Axialspritzkopfohne Kern

Axialspritzkopfmit Kern

Umlenkspritzkopf

Anwendung ZylinderprofilPlatten

SchlauchRohrHohl-Profil

DrahtummantelungFolienblasenExtrusionsblasformen

Bild

Quelle: Theyson Extrusion, Korneuburg, ÖsterreichGerhard Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik, Hanser, 1963


FS09 2/24

Extruderfolgen: Rohrextrusion

Strangaufweitungβ = dStrang/dDüse > 1

viskoelastischesVerhalten,

Gedächtnis!

Düse

Dehnbeanspruchung:Schmelzbruch,

Oberflächenrauhigkeit

dDüse

dStrang


Strangaufweitung

Strangaufweitung:f(Polymer, Mw, Mw/Mn, Temp., Verweilzeit)• ↑ mit abnehmender Düsenlänge• ↑ mit steigendem Durchsatz• ↑ mit abnehmender Temperatur• ↑ mit abnehmender Düsenbohrung• ↑ mit zunehmendem MW• ↑ mit zunehmendem Mw/Mn

Kurs, J. Meissner, 1980 "Rheologie von Polymerschmelzen"

Strangaufweitung gemessen für

LDPE Lupolen 2410H

ρ20°C=0.924 g/cm3, MFI=1.5

D Durchsatz∼


Ausschliesslich bei rotationssymmetrischenProfilen kann man der Strangaufweitung durchden Abzug entgegenwirken.In allen andern Fällen muss kalibriert werden.

3.5 Strangaufweitung

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30 35

Düsenlänge [mm]

Stra

ngau

fwei

tung

[‐]

n=5 U/min

n=15 U/min

n=30 U/min

n=60 U/min

n=120 U/min

3.5 Strangaufweitung

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30 35

Düsenlänge [mm]

Stra

ngau

fwei

tung

[‐]

n=5 U/min

n=15 U/min

n=30 U/min

n=60 U/min

n=120 U/min

Strangaufweitung


PE-HD 6011 L @ 170°C PE-LD 1810 H @ 160°C

?

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103102

103

104

Strangaufweitung = f(λ / tTransit)

λ abhängig von:• Art des Polymers• Molekulargewicht• Temperatur• Schergeschwindigkeit

Spannversuche Kegel-Platte Rheometer Laborübung Extrusion Gruppe F 2009 η0(1/t) aus RTS

Sch

ervi

skos

ität η

[Pas

]

1/t, γ. [s-1]

PE-HD 6011L @ 170°C

Kalibrierung

Man unterscheidet folgende Hauptverfahren zur Profil-Kalibrierung:

Stützluft Vakuum Ziehblende


Extruderfolgen : Plattenextrusion

Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, Hanser, 2007Extrusion Dies Industries, LLC, www.extrusiondies.com

Schüsselung

Platten:Stärke < 20 mmBreiten < 4.6 mQ < 3.2 t/h

Dickenmessung


FS09 2/29

Extruderfolgen : Folienblasen



FS09 2/30

Extruderfolgen : Folienblasen - Mehrschichtfolien

Domininghaus, 2005


FS09 2/31

EVA(C): Ethylen-Vinylacetat + hohe Stossfestigkeit und hohes DehnvermögenEVAL: Ethylen-Vinylalkohol + gute Sperrwirkung für O2, CO2 – hygroskopisch

Extrusion: Zusammenfassung

Extruder• Einzug / Kompression / Homogenisierung • Pumpen: Schneckenkennlinie / Düsenkennlinie• Druckprofil: Begasen / Entgasen• ESE: Druckströmung, gute Mischwirkung• DSE, Gleichläufer: Schnellläufer, Compoundierung• DSE, Gegenläufer: Zwangsförderer, Langsamläufer, Profilextrusion

Düsen• axial ohne Kern: Stäbe, Profile, Platten• axial mit Kern: Rohre, Hohlprofile• umgelenkt mit Kern: Drahtummantelung, Folien, Blasformen

Produktequalität• Strangaufweitung: Kontrolle durch Abzug, Kalibrierung• Instabilitäten: Kontrolle über Durchsatz, Polymer, Zusätze,

Düsenlänge, Düsenoberfläche


FS09 2/32

Inhalt

• ExtrusionExtrudertypenKennfeldFolgeanlagen

• BlasformenExtrusionblasformenSpritz-Streckblasformen

FS09 2/33

Blasformen I: Extrusionsblasformen


Wanddickenprogrammierung


Für Polymere mit hoherSchmelzestabilität, z.B. PE

FS09 2/34

Kennzeichen:Quetschnaht

Blasformen II: Spritz-Streckblasformen



Besonders für PET-FlaschenWegen geringer Schmelzestabilität ist dasExtrusionsblasformen nicht anwendbar.

FS09 2/35

Kennzeichen:Formtrennlinie

Blasformen: Zusammenfassung

Verfahren Vorteile Nachteile Anwendung

Extrusions-blasformen

einfachWanddickenprogr.

Schweissnahtviel Abfall (Butzen)

Wegwerfflaschen

Koextrusions-blasformen

Mehrschichtgebinde Schweissnahtviel Abfall (Butzen)anspruchsvoll (evt. Haftvermittler nötig)

Treibstofftanks

Extrusions-Streck-blasformen

mechanische EigenschaftenTransparenzGlanzGasdichtheitdünnwandige Teile

nur rotationssymm. Körpergenaue TemperaturführungSchweissnahtviel Abfall (Butzen)

Flaschen

Spritz-blasformen

gleichmässige Wanddickekeine Schweissnahtwenig Abfall

nur ein MaterialEnergieaufwand für Wiedererwärmen

Flaschen

Spritz-Streck-blasformen

wie Extrusions-Streckblasformen

Energieaufwand für WiedererwärmenVortrocknen

PET-Flaschen


FS09 2/36

Extrusion• Schnecke: Einzug / Kompression / Homogenisierung• Einschneckenextruder: Druckströmung, gute Homogenisierung• Doppelschneckenextruder: Zwangsförderer• Präzise Profile: Kalibrierung

Blasformen• 2-stufig• Vorformling: Extrusion oder SG• Vorformen und Blasen: nacheinander oder getrennt

Lektion 2: Zusammenfassung


FS09 2/37

Lektion 2 Extrusion Blasformen

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