Studium toku polymerních tavenin uvnitř různých typů míchacích elementů a vlnových šneků

Abstract

Jednou z nejdůležitějších a nejproblematičtějších součástí procesu vytlačování je dosažení správného míchání, a tak odhalení jeho principů a zákonitostí uvnitř různých typů míchacích elementů je velmi žádoucí. Proto je studiu míchání věnováno velké úsilí. Není nutno využívat pouze experimentálních dat, ale velkou výhodou je také použití 3D FEM simulací, které umožňují výzkum míchání za v podstatě reálných procesních podmínek neboť korelace mezi predikovanými a experimentálními daty je velmi dobrá. Teoretická část definuje základní pojmy extruzního procesu a popisuje jednotlivé zóny jednošnekového vytlačovacího stroje. Dále jsou představeny základní principy míchání s důrazem na představení historického vývoje designu šneků a míchacích elementů. V poslední sekci teoretické části jsou pak představeny vybrané metody, které jsou vhodné pro kvantifikaci míchání. V experimentální části je nejprve prověřována míchací účinnost třech odlišných typů míchacích elementů na disperzi barvy v polymerní tavenině. Pro tento účel byly použity dva míchací elementy typu Maddock s podobným designem a jeden míchací element typu Stratablend II, které byly umístěny v poslední zóně standartního šneku. Vizualizace procesu míchání barvy v polymerní tavenině byla provedena pomocí speciální kamery instalované přímo na vytlačovací lince, a to na základě analýzy stupňů šedi dispergovaného barviva. Bylo zjištěno, že míchací element typu Stratablend II vykazoval nejlepší míchání. Tento závěr byl podpořen pomocí 3D FEM simulace, z které vyplynulo, že design míchacího elemetu typu Stratablend II umožňuje jak výrazný zpětný tok, tak dlouhodobé generování vysoké hodnoty průměrného smykového napětí, což je klíčové pro dosažení vysokého míchacího účinku. Pro účely kvantifikace intenzity míchání bylo vyvinuto nové napěťové kritérium. V další části práce byla studována míchací účinnost dvou velmi podobných míchacích elementů typu Maddock vizualizací toku a hodnocením rychlosti míchání pomocí RGB analýzy. Bylo zjištěno, že míchací element typu Maddock s podřezanou smykovou štěrbinou a stírací plochou, generoval vrstvičku polymerní taveniny rotující blízko stěny komory mající zdržnou dobu mnohonásobně delší, než průměrná zdržná doba. Celková míchací účinnost obou testovaných míchacích elementů však byla prakticky totožná. V poslední části práce byla provedena detailní 3D FEM analýza pomocí dvou odlišných reologických modelů s cílem pochopit proces míchání uvnitř vlnového šneku. Pro účely kvantifikace míchání byly navrženy dvě kritéria v závislosti na podřezání bariéry oddělující dva vlnové kanály. Bylo prokázáno, že nejvyšší míchací účinnosti je možné dosáhnou vybalancováním disperzních a distributivních složek míchání specifickou změnou designu vlnového šneku.