Vergleich des Fließverhaltens verschiedener Polymerer mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie

Diplomarbeit von Marcus Heindl

Einleitung:

Das Fließverhalten von Polymerschmelzen spielt im gesamten Bereich der Kunststoffverarbeitung eine sehr wichtige Rolle. Aufgrund ihrer Viskoelastizität ist die exakte mathematische Beschreibung des Strömungsverhaltens und der Deformationsgeschichte von schmelzeflüssigen Kunststoffen auch bei zunächst einfach erscheinenden Produktionsprozessen (z.B. Extrusion von Platten, Stangen oder anderen Halbzeugen durch eine Düse) jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.

Trotz intensiver Forschungsaktivitäten in den letzten Jahren existieren in diesem Bereich noch immer viele unbeantwortete Fragen, was größtenteils darauf zurückzuführen ist, dass die rheologischen Eigenschaften von makromolekular aufgebauten Stoffen nicht allein durch ihre chemische Struktur bestimmt werden, sondern noch in erheblichem Maße durch Faktoren wie mittleres Molekulargewicht, Molmassenverteilung und Verzweigungsstruktur beeinflussbar sind. Da diese Wechselwirkungen noch nicht vollständig aufgeklärt sind, ist eine mathematisch-physikalische Beschreibung sowie die daraus folgende Möglichkeit, genaue computerunterstützte Simulationen von Fließvorgängen durchführen zu können, nur eingeschränkt möglich.

Für die Auslegung und Optimierung von Werkzeug- und Düsengeometrien im Hinblick auf die Maßgenauigkeit des Fertigproduktes sowie für die Wahl geeigneter Prozessparameter, um hohe Durchsatzraten bzw. kurze Zykluszeiten zu gewährleisten und somit möglichst kostengünstig produzieren zu können, ist dies allerdings von hoher Bedeutung.

Beispiele für noch nicht oder nur teilweise verstandene Fließphänomene und deren Zusammenhang mit dem Aufbau eines Polymeren sind das Auftreten des sogenannten „Schmelzebruchs“ (Extrudatdeformation, die in der Regel bei einer kritischen Durchsatzrate auftritt) und die Existenz von Sekundärströmungen (stationäre Wirbelströme, die sich bei bestimmten Polymerschmelzen und -lösungen im Einlaufbereich einer Düse ausbilden und eine Veränderung des Fließprofils sowie eine Vergrößerung des Einlaufdruckverlustes zur Folge haben). Diese Fragestellungen haben eine besondere Aktualität erlangt, seitdem man durch eine verbesserte Katalysatortechnik in der Lage ist, die Struktur eines Polymeren gezielt einzustellen.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zum Verständnis des Sekundärströmungsphänomens zu leisten, indem dieses bei der Extrusion verschiedener Kunststoffschmelzen durch eine planare Düseneinlaufgeometrie untersucht wird. Dazu werden die Fließprofile dort bei verschiedenen Durchsatzraten unter Verwendung der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ausgemessen und versucht, diese mit dem molekularen Aufbau und den rheologischen Daten der verwendeten Materialien zu korrelieren. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Analyse der Temperaturabhängigkeit der Wirbelströme, welche bis heute in nur wenigen Arbeiten untersucht wurde.

Inhaltsverzeichnis: