Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

10
Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z dozowanym zasilaniem mieszanin tworzyw termoplastycznych Krzysztof J. Wilczyñski 1), *) , Andrzej Nastaj 1) DOI: dx.doi.org/10.14314/polimery.2015.199 Streszczenie: Przeprowadzono symulacje procesu wyt³aczania z dozowaniem mieszaniny polietylenu ma³ej gêstoœci z polistyrenem (PE-LD/PS). Na podstawie modelu komputerowego procesu wykonano obliczenia symulacyjne uplastyczniania tworzywa, rozk³adu ciœnienia i temperatury tworzywa oraz stopnia wype³nienia œlimaka. Obliczenia zweryfikowano doœwiadczalnie. S³owa kluczowe: wyt³aczanie jednoœlimakowe z dozowanym zasilaniem, model komputerowy, symula- cja, weryfikacja doœwiadczalna. Modeling of starve-fed single-screw extrusion of thermoplastic polyblends Abstract: Modeling of single-screw extrusion process of polymer blends with starve feeding of extruder has been described. Simulations of starve-fed single screw extrusion of low density polyethylene (PE-LD) — polystyrene (PS) polyblend have been performed. Using the computer model of the process, the simu- lation calculations for polymer plasticization, distribution of pressure and temperature as well as extent of screw filling have been carried out and validated experimentally. Keywords: single-screw extrusion with starve feeding, computer model, simulation, experimental verifi- cation. Wyt³aczanie tworzyw mo¿na realizowaæ stosuj¹c za- silanie grawitacyjne lub zasilanie z dozowaniem. Wyt³a- czarki jednoœlimakowe s¹ zwykle zasilane grawitacyjnie, natomiast wyt³aczarki dwuœlimakowe — z dozowaniem. W procesie jednoœlimakowym, w warunkach grawi- tacyjnego zasilania wyt³aczarki, œlimak pobiera tworzy- wo z zasobnika bez ograniczeñ, jest wiêc ca³kowicie wy- pe³niony tworzywem. W strefie zasilania jest generowa- ne ciœnienie, powoduj¹ce zagêszczanie materia³u i two- rzenie jednolitej, ci¹g³ej warstwy sta³ej. Tworzywo uplas- tycznia siê powoli i jest s³abo wymieszane. W przypadku takiego sposobu zasilania wydajnoœæ wyt³aczania zale¿y g³ównie od prêdkoœci obrotowej œlimaka. W procesie dwuœlimakowym, w warunkach zasilania z dozowaniem, w pocz¹tkowej strefie wyt³aczarki œlima- ki nie s¹ ca³kowicie wype³nione tworzywem. Nie generu- je siê wiêc ciœnienie i nie powstaje ci¹g³a warstwa sta³a. Cz¹stki tworzywa zachowuj¹ swoj¹ odrêbnoœæ podczas uplastyczniania i tworz¹ zawiesinê w uplastycznionym tworzywie. Sprzyja to szybszemu uplastycznianiu i do- bremu wymieszaniu tworzywa. Wydajnoœæ wyt³aczania z dozowanym zasilaniem nie zale¿y od prêdkoœci obro- towej œlimaka, lecz od wydajnoœci urz¹dzenia dozu- j¹cego. Korzyœci z zasilania z dozowaniem tworzywa, obser- wowane podczas wyt³aczania dwuœlimakowego, czyli warunki do szybkiego uplastycznienia i wymieszania tworzywa, sk³aniaj¹ do zastosowania tego typu zasilania w procesie wyt³aczania jednoœlimakowego. Jest to szcze- gólnie obiecuj¹ce w przypadku wyt³aczania tworzyw zaawansowanych technologicznie, mieszanin polime- rów lub kompozytów polimerowych. W³aœciwoœci mieszanin polimerowych okreœla ich bu- dowa morfologiczna, zale¿na od termodynamicznych i reologicznych w³aœciwoœci sk³adników, a tak¿e od termo- mechanicznej historii ich przetwórstwa. Budowê morfo- logiczn¹ warunkuje sk³ad mieszaniny, stosunek lepkoœci i sprê¿ystoœci jej sk³adników, napiêcie powierzchniowe i sposób przetwarzania [1, 2]. Zagadnienie kszta³towania siê morfologii mieszanin polimerowych w procesie wyt³aczania by³o przedmio- tem licznych prac doœwiadczalnych, natomiast badania teoretyczne by³y nieliczne. Utracki i Shi [3] pierwsi za- proponowali model kszta³towania siê morfologii w wa- runkach przep³ywu dwuœlimakowego wspó³bie¿nego, rozwiniêty nastêpnie przez Huneault [4], który dokona³ bardziej zaawansowanej analizy pola przep³ywu mate- ria³u. Delamare i Vergnes [5] opracowali model rozwoju 199 2015, , 60 nr 3 1) Politechnika Warszawska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania, Zak³ad Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa. *) Autor do korespondencji; e-mail: [email protected]

Transcript of Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

Page 1: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowegoz dozowanym zasilaniem mieszanin tworzywtermoplastycznych

Krzysztof J. Wilczyñski1), �), Andrzej Nastaj1)

DOI: dx.doi.org/10.14314/polimery.2015.199

Streszczenie: Przeprowadzono symulacje procesu wyt³aczania z dozowaniem mieszaniny polietylenuma³ej gêstoœci z polistyrenem (PE-LD/PS). Na podstawie modelu komputerowego procesu wykonanoobliczenia symulacyjne uplastyczniania tworzywa, rozk³adu ciœnienia i temperatury tworzywa orazstopnia wype³nienia œlimaka. Obliczenia zweryfikowano doœwiadczalnie.

S³owa kluczowe: wyt³aczanie jednoœlimakowe z dozowanym zasilaniem, model komputerowy, symula-cja, weryfikacja doœwiadczalna.

Modeling of starve-fed single-screw extrusion of thermoplastic polyblendsAbstract: Modeling of single-screw extrusion process of polymer blends with starve feeding of extruderhas been described. Simulations of starve-fed single screw extrusion of low density polyethylene (PE-LD)— polystyrene (PS) polyblend have been performed. Using the computer model of the process, the simu-lation calculations for polymer plasticization, distribution of pressure and temperature as well as extentof screw filling have been carried out and validated experimentally.

Keywords: single-screw extrusion with starve feeding, computer model, simulation, experimental verifi-cation.

Wyt³aczanie tworzyw mo¿na realizowaæ stosuj¹c za-silanie grawitacyjne lub zasilanie z dozowaniem. Wyt³a-czarki jednoœlimakowe s¹ zwykle zasilane grawitacyjnie,natomiast wyt³aczarki dwuœlimakowe — z dozowaniem.

W procesie jednoœlimakowym, w warunkach grawi-tacyjnego zasilania wyt³aczarki, œlimak pobiera tworzy-wo z zasobnika bez ograniczeñ, jest wiêc ca³kowicie wy-pe³niony tworzywem. W strefie zasilania jest generowa-ne ciœnienie, powoduj¹ce zagêszczanie materia³u i two-rzenie jednolitej, ci¹g³ej warstwy sta³ej. Tworzywo uplas-tycznia siê powoli i jest s³abo wymieszane. W przypadkutakiego sposobu zasilania wydajnoœæ wyt³aczania zale¿yg³ównie od prêdkoœci obrotowej œlimaka.

W procesie dwuœlimakowym, w warunkach zasilaniaz dozowaniem, w pocz¹tkowej strefie wyt³aczarki œlima-ki nie s¹ ca³kowicie wype³nione tworzywem. Nie generu-je siê wiêc ciœnienie i nie powstaje ci¹g³a warstwa sta³a.Cz¹stki tworzywa zachowuj¹ swoj¹ odrêbnoœæ podczasuplastyczniania i tworz¹ zawiesinê w uplastycznionymtworzywie. Sprzyja to szybszemu uplastycznianiu i do-bremu wymieszaniu tworzywa. Wydajnoœæ wyt³aczania

z dozowanym zasilaniem nie zale¿y od prêdkoœci obro-towej œlimaka, lecz od wydajnoœci urz¹dzenia dozu-j¹cego.

Korzyœci z zasilania z dozowaniem tworzywa, obser-wowane podczas wyt³aczania dwuœlimakowego, czyliwarunki do szybkiego uplastycznienia i wymieszaniatworzywa, sk³aniaj¹ do zastosowania tego typu zasilaniaw procesie wyt³aczania jednoœlimakowego. Jest to szcze-gólnie obiecuj¹ce w przypadku wyt³aczania tworzywzaawansowanych technologicznie, mieszanin polime-rów lub kompozytów polimerowych.

W³aœciwoœci mieszanin polimerowych okreœla ich bu-dowa morfologiczna, zale¿na od termodynamicznych ireologicznych w³aœciwoœci sk³adników, a tak¿e od termo-mechanicznej historii ich przetwórstwa. Budowê morfo-logiczn¹ warunkuje sk³ad mieszaniny, stosunek lepkoœcii sprê¿ystoœci jej sk³adników, napiêcie powierzchniowei sposób przetwarzania [1, 2].

Zagadnienie kszta³towania siê morfologii mieszaninpolimerowych w procesie wyt³aczania by³o przedmio-tem licznych prac doœwiadczalnych, natomiast badaniateoretyczne by³y nieliczne. Utracki i Shi [3] pierwsi za-proponowali model kszta³towania siê morfologii w wa-runkach przep³ywu dwuœlimakowego wspó³bie¿nego,rozwiniêty nastêpnie przez Huneault [4], który dokona³bardziej zaawansowanej analizy pola przep³ywu mate-ria³u. Delamare i Vergnes [5] opracowali model rozwoju

1992015, ,60 nr 3

1) Politechnika Warszawska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji, InstytutTechnik Wytwarzania, Zak³ad Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych,ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa.�) Autor do korespondencji; e-mail: [email protected]

Page 2: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

morfologii mieszanin w wyt³aczarce wspó³bie¿nej, z wy-korzystaniem programu komputerowego LUDOVIC dozdefiniowania termomechanicznych warunków przep³y-wu tworzywa. Potente i Bastian [6] zastosowali do tegocelu program SIGMA. Lee i White [7] jako pierwsi przed-stawili model uplastyczniania materia³u dwufazowegow wyt³aczarce wspó³bie¿nej. Potente [8] opracowa³ a nas-têpnie wprowadzi³ do programu SIGMA model uplas-tyczniania mieszaniny. Brakuje publikacji dotycz¹cychmodelowania rozwoju morfologii w procesie wyt³acza-nia przeciwbie¿nego, poniewa¿ dopiero niedawno po-wsta³y pierwsze modele tego procesu, np. [9—12].

Modelowanie morfologii w procesie wyt³aczania jed-noœlimakowego jest stosunkowo s³abo rozwiniête. Wil-czyñski [13] pierwszy zaproponowa³ model kszta³towa-nia siê morfologii w wyt³aczarce jednoœlimakowej, uwz-glêdniaj¹cy zjawiska fibrylacji i rozpadu w³ókien, a tak¿edeformacji kropli i jej rozpadu w obszarze tworzywauplastycznionego, wyznaczonym za pomoc¹ programuSSEM [14]. Domingues [15] przedstawi³ niedawno naj-bardziej zaawansowany model, obejmuj¹cy rozwój mor-fologii od pocz¹tku stapiania tworzywa do wylotu cylin-dra wyt³aczarki. Badania w tym zakresie podsumowaliostatnio Ariffin i Ahmad [16].

Kszta³towanie siê morfologii mieszanin podczas wy-t³aczania okreœlaj¹ termomechaniczne warunki przep³y-wu definiuj¹ce: lokalne pole naprê¿eñ, prêdkoœæ prze-p³ywu, szybkoœæ œcinania oraz temperaturê i czas rezy-dencji tworzywa, dlatego podstaw¹ analizy rozwojumorfologii jest termomechaniczny model przep³ywu ma-teria³u w procesie przetwórczym. Do takiego modelumo¿na implementowaæ mikroreologiczne modele morfo-logii, co pozwala na uzyskanie modelu rozwoju morfolo-gii w ca³ym procesie przetwórczym.

Pierwszy model przep³ywu tworzywa w wyt³aczarcejednoœlimakowej zaproponowa³ Carley’a [17], natomiastpierwsze badania uplastyczniania tworzywa wykonaliMaddock [18] i Street [19], którzy zastosowali technikê„zimnego eksperymentu”, polegaj¹c¹ na szybkim och³o-dzeniu wyt³aczarki, wyjêciu œlimaka z wyt³aczarki i zdjê-ciu wstêgi tworzywa ze œlimaka. Odpowiednie przekrojetej wstêgi umo¿liwi³y rozpoznanie mechanizmu uplas-tyczniania tworzywa. Zauwa¿ono, ¿e miêdzy tworzy-wem a cylindrem tworzy siê warstewka tworzywa uplas-tycznionego, zgarniana w stronê aktywnego zwoju œli-maka. W miarê postêpu uplastycznienia, wysokoœæ war-stwy sta³ej tworzywa siê nie zmienia, natomiast zmniej-sza siê jej szerokoœæ. Tadmor [20, 21] opracowa³ modelmatematyczny uplastyczniania, a nastêpnie zbudowa³pierwszy model ca³ego procesu [22]. Agur i Vlachopou-los [23] przedstawili ca³kowity model wyt³aczania, uwz-glêdniaj¹cy przep³yw tworzywa w g³owicy wyt³aczars-kiej, i na tej podstawie stworzyli program NEXTRUCAD.Vincelette [24] wykona³ obliczenia symulacyjne procesuz zastosowaniem nienewtonowskiego modelu power-law.Potente [25] opracowa³ dobrze zweryfikowany doœwiad-czalnie program REX, Wilczyñski [26] natomiast model

ogólny, a na jego podstawie program SSEM, umo¿liwia-j¹cy symulacjê pracy wyt³aczarki i g³owicy w ró¿nej kon-figuracji geometrycznej œlimaków i g³owic. Prace w za-kresie modelowania procesu jednoœlimakowego podsu-mowa³ ostatnio Alimkaynak [27].

Publikacji dotycz¹cych badañ wyt³aczania jednoœli-makowego z dozowaniem jest niewiele i ograniczaj¹ siêdo procesu przetwarzania „czystych” tworzyw termo-plastycznych, analizy ich uplastyczniania oraz mieszaniaw wyt³aczarce, bez próby modelowania procesu. Nicholsi Kruder [28] pierwsi rozwa¿yli — alternatywne w sto-sunku do tradycyjnego — zasilanie z ograniczeniem iloœ-ci doprowadzanego do wyt³aczarki tworzywa. McKelvey[29] analizowa³ mo¿liwe efekty ekonomiczne, wynika-j¹ce ze zmniejszonego zu¿ycia energii. Lopez-Lattore iMcKelvey [30] podjêli jakoœciow¹ dyskusjê nad uplas-tycznianiem tworzywa i generacj¹ ciœnienia. Isherwood[31] zaobserwowa³, ¿e uplastycznienie polipropylenuw warunkach dozowanego zasilania rozpoczyna siêz opóŸnieniem, ale przebiega szybciej, dziêki czemu jestporównywalne z uplastycznianiem w wyt³aczaniu kla-sycznym. Gale [32] wykaza³ zwiêkszenie efektywnoœcimieszania w przypadku dozowanego zasilania. Obszer-n¹ analizê wyt³aczania z dozowaniem przedstawi³Thompson [33], który bada³ proces uplastyczniania napodstawie pomiaru ciœnienia i temperatury tworzywaw wyt³aczarce. Stwierdzi³ zwiêkszenie efektywnoœcimieszania w miarê wzrostu stopnia dozowania tworzy-wa. Próbê modelowania wyt³aczania jednoœlimakowegoz dozowaniem podj¹³ jedynie Strand [34], który zmodyfi-kowa³ równania transportu tworzywa w stanie sta³ym,znane z modelu wyt³aczania tradycyjnego. Nie odniós³siê jednak do uplastyczniania tworzywa i mechanizmuzape³niania kana³u œlimaka wyt³aczarki.

Na podstawie badañ doœwiadczalnych, ujmuj¹cychuplastycznianie tworzywa i zape³nianie œlimaka wyt³a-czarki, Wilczyñski [35, 36] zaproponowa³ ostatnio nowymechanizm uplastyczniania tworzywa w wyt³aczarcezasilanej w sposób dozowany, z wyró¿nieniem uplas-tyczniania wskutek przewodzenia ciep³a w strefie œlima-ka niezape³nionego oraz uplastyczniania dyspersyjnegow strefie œlimaka zape³nionego. Na tej podstawie opraco-wano pierwszy ogólny model wyt³aczania jednoœlimako-wego z dozowaniem [37].

Rysunek 1 przedstawia wyt³aczanie z tradycyjnymzasilaniem, gdy œlimak jest ca³kowicie zape³niony two-rzywem, a uplastycznianie przebiega zgodnie ze znanymmechanizmem Tadmora. Rysunek 2 natomiast przedsta-wia wyt³aczanie z zasilaniem dozowanym, w przypadkuktórego œlimak nie jest ca³kowicie zape³niony tworzy-wem, a uplastycznianie przebiega wed³ug mechanizmudwuetapowego. W obszarze œlimaka niezape³nionegogranulat gromadzi siê przy aktywnej œciance zwoju œli-maka i stapia siê w wyniku przewodzenia ciep³a, a w ob-szarze ca³kowitego zape³nienia œlimaka nieuplastycznio-ne cz¹stki tworzywa tworz¹ zawiesinê w tworzywieuprzednio uplastycznionym, uplastyczniaj¹c siê pod

200 POLIMERY 2015, 60, nr 3

Page 3: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

wp³ywem ciep³a powstaj¹cego w wyniku rozpraszaniaenergii.

Uplastycznianie i przep³yw mieszanin polimeróww warunkach wyt³aczania jednoœlimakowego z dozowa-niem nie by³y jak dotychczas dyskutowane w literaturze.Brakuje wiêc podstaw teoretycznych do modelowaniarozwoju morfologii mieszanin w takim procesie.

W pracy przedstawiono wyniki badañ symulacyj-nych wyt³aczania z dozowaniem mieszaniny polietylenuma³ej gêstoœci i polistyrenu PE-LD/PS, wykonane napodstawie komputerowego modelu tego procesu, odpo-wiednio zmodyfikowanego na potrzeby symulacji wyt³a-czania mieszanin. Wyniki tych symulacji zweryfikowanodoœwiadczalnie.

MODELOWANIE PROCESU

Podstawê modelowania wyt³aczania stanowi analizamechanizmu uplastyczniania i przep³ywu tworzywaoraz opracowanie modeli matematycznych opisuj¹cychte zjawiska. Po³¹czenie takich elementarnych modeli pro-wadzi do powstania modelu ogólnego, opisuj¹cegoprzep³yw tworzywa w ca³ym procesie przetwórczym.

W wyt³aczaniu bez dozowania natê¿enie przep³ywutworzywa nie jest ustalane przez operatora wyt³aczarki,lecz wynika ze wspó³dzia³ania uk³adu wyt³aczarka-g³o-wica, którego warunki okreœla punkt pracy wyt³aczarki,determinuj¹cy wydajnoœæ wyt³aczania (natê¿enie prze-p³ywu tworzywa), i ciœnienie wyt³aczanego tworzywa.Podstawê algorytmu obliczeñ stanowi rozwi¹zanie prob-lemu wyznaczania natê¿enia przep³ywu oraz rozk³aduciœnienia tworzywa w uk³adzie uplastyczniaj¹cym wy-t³aczarki i g³owicy. Problem ten mo¿na rozwi¹zaæ tylkoz zastosowaniem procedury obliczeñ iteracyjnych, w któ-rej jest badana zgodnoœæ przyrostu ciœnienia w uk³adzieuplastyczniaj¹cym wyt³aczarki ze spadkiem ciœnieniaw g³owicy.

W procesie wyt³aczania z dozowaniem operator wy-t³aczarki ustala natê¿enie przep³ywu tworzywa, nie mawiêc potrzeby stosowania iteracyjnej procedury poszuki-wania punktu pracy wyt³aczarki. Nie mo¿na jednak pro-wadziæ obliczeñ dotycz¹cych strefy od zasobnika w kie-runku g³owicy, gdy¿ w pocz¹tkowej czêœci wyt³aczarkinie jest generowane ciœnienie, nie s¹ wiêc te¿ znane wa-runki przep³ywu. Decyduj¹ce znaczenie ma tutaj okre-œlenie miejsca zape³nienia siê œlimaka tworzywem, wy-znaczanego w procedurze iteracyjnej.

Ze wzglêdu na potrzeby modelowania proces wyt³a-czania z dozowaniem mo¿na traktowaæ jako szeregowepo³¹czenie elementarnych przestrzeni przep³ywu, w któ-rych natê¿enie przep³ywu jest znane i przybiera sta³¹wartoœæ.

G’ = G1 = G2 =... = Gi... = Gn (1)

gdzie: G — masowe natê¿enie przep³ywu tworzywa (wy-dajnoœæ wyt³aczania), G1, G2 — natê¿enie przep³ywu wpierwszym i drugim elemencie, Gi — natê¿enie przep³y-wu w i-tym elemencie, n — numer kolejny elementu.

Wartoœci parametrów definiuj¹cych przebieg proce-su, np. ciœnienia i temperatury, na koñcu ka¿dej elemen-tarnej przestrzeni przep³ywu s¹ równe wartoœciom tychparametrów na pocz¹tku nastêpnego elementu, np.

pi_out(z) = pi+1_in(z + �z) (2)Ti_out(z) = Ti+1_in(z + �z) (3)

gdzie: pi_out — ciœnienie na koñcu i-tego elementu, pi+1_in— ciœnienie na pocz¹tku i+1 elementu, Ti_out — tempera-tura na koñcu i-tego elementu, Ti+1_in — temperatura napocz¹tku i+1 elementu, z — po³o¿enie elementu wzd³u¿d³ugoœci kana³u, �z — d³ugoœæ elementu.

Ten schemat obliczeñ przedstawiono na rys. 3.Podstawê modelu procesu stanowi niedawno opraco-

wany dwuetapowy model uplastyczniania tworzywa[35]. Zgodnie z tym modelem dokonano bilansu mocy welementarnej przestrzeni przep³ywu tworzywa w obsza-rze nieca³kowitego wype³nienia œlimaka i uzyskano za-le¿noœci definiuj¹ce przyrost temperatury tworzywa. Wtym obszarze nie jest generowane ani ciœnienie, ani ciep³otarcia. Nagrzewanie tworzywa nastêpuje w wynikuprzewodzenia ciep³a. W obszarze ca³kowitego wype³nie-

POLIMERY 2015, 60, nr 3 201

Rys. 2. Schemat wyt³aczania z dozowaniem, w którym uplastycz-nianie przebiega zgodnie z nowym, dwuetapowym mechaniz-mem uplastycznianiaFig. 2. Schematic of starve-fed extrusion process with a newtwo-stage melting mechanism

Rys. 1. Schemat wyt³aczania tradycyjnego, z uplastycznianiemprzebiegaj¹cym zgodnie z mechanizmem TadmoraFig. 1. Schematic of flood fed extrusion with a Tadmor meltingmechanism

Page 4: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

nia œlimaka nieuplastycznione cz¹stki tworzywa tworz¹zawiesinê w tworzywie uplastycznionym. Uplastycznia-nie zachodzi w wyniku stapiania tych cz¹stek pod wp³y-wem ciep³a generowanego w wyniku rozpraszania ener-gii oraz pod wp³ywem ciep³a dostarczanego przez grzej-niki. Model uplastyczniania ma charakter dyspersyjny,a podstaw¹ tego modelu jest bilans mocy na powierzchninieuplastycznionych cz¹stek tworzywa.

Na podstawie modelu uplastyczniania i przep³ywutworzywa uplastycznionego opracowano komputerowymodel o parametrach skupionych, definiuj¹cy proceswyt³aczania jednoœlimakowego z dozowanym zasila-niem i, z powodzeniem, zastosowano go do symulacjiwyt³aczania homopolimerów termoplastycznych [36].

Modelowanie wyt³aczania mieszanin wymaga odpo-wiedniego zdefiniowania ich w³aœciwoœci, zwykle nie-dostêpnych w literaturze. Dlatego te¿ odpowiednio zmo-dyfikowano algorytm obliczeñ modelu komputerowegoprocesu. Parametry materia³owe mieszaniny wyznacza-no wed³ug regu³y mieszania, zgodnie z któr¹ w³aœciwoœ-ci mieszaniny zale¿¹ od udzia³u objêtoœciowego jej sk³ad-ników.

W przypadku gêstoœci ta regu³a przyjmuje nastêpu-j¹c¹ postaæ

�PE-LD/PS = �PE-LD�PE-LD + �PS�PS (4)

gdzie: �PE-LD/PS — gêstoœæ mieszaniny, �PE-LD — gêstoœæpolietylenu, �PS — gêstoœæ polistyrenu, �PE-LD — udzia³objêtoœciowy polietylenu, �PS = 1 – �PE-LD — udzia³ objê-toœciowy polistyrenu.

Model umo¿liwia symulacjê wyt³aczania, polegaj¹c¹na obliczaniu profilu uplastyczniania tworzywa w kie-runku od zasobnika do g³owicy („do przodu”) oraz pro-filu ciœnienia i stopnia wype³nienia œlimaka w kierunkuod g³owicy do zasobnika („do ty³u”). Profil temperatury

jest obliczany „do przodu” w strefie uplastyczniania,natomiast w strefie dozowania — „do ty³u”. Takie obli-czenia umo¿liwiaj¹ lokalizacjê miejsca, w którym œlimakca³kowicie zape³nia siê tworzywem.

Przyk³ad symulacji pokazano w formie bezwymiaro-wej na rys. 4, w postaci ogólnej charakterystyki procesu,obejmuj¹cej najwa¿niejsze parametry wyt³aczania: roz-k³ad ciœnienia, rozk³ad temperatury, profil stopnia uplas-tycznienia tworzywa oraz profil stopnia wype³nienia œli-maka.

Stopieñ uplastycznienia tworzywa okreœla stosunekobjêtoœci tworzywa w stanie sta³ym do ca³kowitej objê-toœci tworzywa w rozpatrywanej przestrzeni przep³ywu,natomiast stopieñ wype³nienia œlimaka definiuje stosu-nek objêtoœci tworzywa w danej przestrzeni elementarnejdo objêtoœci tej przestrzeni. Stopieñ uplastycznienia rów-ny jednoœci oznacza, ¿e tworzywo w ca³ej swojej objêtoœciw przestrzeni elementarnej jest w stanie sta³ym, nato-miast stopieñ uplastycznienia równy zeru oznacza, ¿etworzywo jest ca³kowicie stopione. Wartoœci stopniauplastycznienia z przedzia³u 0—1 wskazuj¹ na czêœcio-we uplastycznienie tworzywa. Stopieñ wype³nienia œli-maka równy jednoœci oznacza, ¿e kana³ œlimaka jestca³kowicie wype³niony tworzywem, natomiast stopieñwype³nienia równy zeru wskazuje, ¿e kana³ œlimaka jestpusty. Wartoœci stopnia wype³nienia œlimaka z przedzia-³u 0—1 wskazuj¹ na czêœciowe wype³nienie œlimaka.

BADANIA SYMULACYJNO-DOŒWIADCZALNE

Program badañ obejmowa³ symulacjê i weryfikacjêdoœwiadczaln¹ wyt³aczania mieszaniny polietylenu ma-³ej gêstoœci PE-LD z polistyrenem PS, o udziale maso-wym sk³adników 85/15 (85 % PE-LD i 15 % PS).

Materia³y

— PE-LD (firmy Basell Orlen, Purell 3020D): gêstoœæ� = 0,927 g/cm3, wskaŸnik szybkoœci p³yniêcia MFR =

202 POLIMERY 2015, 60, nr 3

W

H

�z

x

yz

pz+ z� Tz+ z�

pzTz

Rys. 3. Schemat obliczeniowy modelu: pz, Tz — wartoœci wejœcio-we (dane do obliczeñ), pz + �z, Tz + �z — wartoœci wyjœciowe (wy-niki obliczeñ), p — ciœnienie, T — temperatura, W — szerokoœækana³u œlimaka, H — wysokoœæ kana³u œlimaka, �z — d³ugoœæelementarnego odcinka analizyFig. 3. Computation scheme: pz, Tz — input data, pz + �z, Tz + �z —output data, p — pressure, T — temperature, W — screw channelwidth, H — screw channel height, �z — computation increment

Rys. 4. Ogólna charakterystyka procesu wyt³aczaniaFig. 4. Overall characteristics of the extrusion process

Page 5: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

0,3 g/10 min (190 °C, 2,16 kg), temperatura topnienia Tm =114 °C;

— PS (firmy BASF Polystyrol 158 K): gêstoœæ � =1,040 g/cm3, wskaŸnik szybkoœci p³yniêcia MFR =3,0 g/10 min (200 °C, 5,00 kg), temperatura miêknieniaTg = 109 °C.

Metodyka badañ

Badania symulacyjno-doœwiadczalne wykonano wdwóch trybach zasilania:

— klasycznego zasilania grawitacyjnego, tzn. bez do-zowania tworzywa;

— zasilania z dozowaniem tworzywa, na ró¿nympoziomie dozowania.

Badania przeprowadzono przy u¿yciu wyt³aczarkiMetalchem T-45, wyposa¿onej w dozownik œlimakowyw³asnej konstrukcji. Zastosowano klasyczny œlimak trój-strefowy o œrednicy D = 45 mm i d³ugoœci L/D = 27 orazstopniu sprê¿ania CR = 8/3 (stosunek g³êbokoœci kana³uœlimaka w strefie zasilania do g³êbokoœci kana³u w strefiedozowania) oraz g³owicê prost¹ do wyt³aczania prêtówo przekroju ko³owym i œrednicy d = 5 mm. Zastosowanetensometryczne czujniki ciœnienia umieszczono w cylin-drze (w odleg³oœci 520 mm, 775 mm i 1030 mm od osi za-sobnika) oraz w g³owicy (w odleg³oœci 1228 mm od osizasobnika).

Badania wykonano z zastosowaniem ró¿nych prêd-koœci obrotowych œlimaka: N = 20 obr/min, N =50 obr/min i N = 80 obr/min. Ustalono nastêpuj¹ce war-toœci temperatury cylindra i g³owicy w kolejnych strefachwyt³aczarki: TI = 170 °C, TII = 180 °C, TIII = 180 °C, TIV =180 °C, TG = 180 °C.

Lepkoœæ mieszaniny wyznaczono w zakresach szyb-koœci œcinania i temperatury, odpowiadaj¹cych warun-kom przetwórstwa. Pomiaru dokonano przy u¿yciu reo-metru kapilarnego, dzia³aj¹cego na zasadzie sta³ej szyb-koœci œcinania. Szybkoœæ œcinania korygowano poprawk¹Rabinowitscha, nie stosowano natomiast poprawki wlo-towej Bagleya, gdy¿ w badaniach u¿yto kapilary o du-¿ym stosunku d³ugoœci do œrednicy L/D = 60.

W³aœciwoœci reologiczne materia³u, zale¿noœci naprê-¿eñ œcinaj¹cych od szybkoœci œcinania �’ = f(��) i zale¿noœcilepkoœci od szybkoœci œcinania i temperatury � = f(��,T),opisano na podstawie potêgowego równania Ostwal-da—de Waele

� � m n� (5)

i logarytmicznego równania Kleina:

ln � = A0 + A1 ln �� + A11 ln2�� + A12T ln �� + A2T + A22T

2 (6)

gdzie: � — naprê¿enie styczne, �� — szybkoœæ œcinania,m — sta³a konsystencji, n — wyk³adnik p³yniêcia, � —lepkoœæ, T — temperatura; A0, A1, A11, A12, A2 i A22 —parametry równania Kleina.

Na podstawie obliczeñ aproksymacyjnych uzyskanonastêpuj¹ce wartoœci parametrów równania Kleina: A0 =

14,49132073, A1 = -0,812149514, A11 = -0,010400416, A12 =0,00157898, A2 = -0,029769873, A22 = -0,0000289218.

Pozosta³e dane materia³owe zaczerpniêto z literatury.

WYNIKI I ICH OMÓWIENIE

Na rysunku 5 przedstawiono wyniki symulacji wyt³a-czania mieszaniny PE-LD/PS w warunkach zasilania gra-witacyjnego i dozowanego. Widaæ wyraŸnie, ¿e w proce-sie tradycyjnym jest generowane wy¿sze ciœnienie. Wrazze wzrostem natê¿enia przep³ywu, roœnie te¿ ciœnienie(rys. 5a), zwiêksza siê tak¿e d³ugoœæ ca³kowicie wy-pe³nionego kana³u œlimaka (rys. 5d). Ciœnienie nie jest ge-nerowane (jest równe zeru) w obszarze niezape³nionegoœlimaka (rys. 5a, 5d), gdzie stopieñ wype³nienia jestmniejszy od jednoœci. Widaæ równie¿ (rys. 5c), ¿e w wa-runkach zasilania dozowanego, przy natê¿eniu przep³y-wu 20 kg/h, tworzywo stapia siê wed³ug pierwszegomechanizmu uplastyczniania, natomiast przy natê¿eniu25 kg/h ujawnia siê tak¿e drugi mechanizm. W przypad-ku wyt³aczania z dozowaniem uplastycznianie zachodziszybciej ni¿ w wyt³aczaniu tradycyjnym.

Wyniki weryfikacji doœwiadczalnej wyt³aczania mie-szaniny PE-LD/PS przedstawiono na rys. 6—8. Ocenianowp³yw masowego natê¿enia przep³ywu tworzywa naprzebieg procesu prowadzonego z prêdkoœci¹ wyt³acza-nia 80 obr/min. Wyt³aczanie z dozowaniem realizowanoz zastosowaniem dwóch wartoœci natê¿enia przep³ywu— 20 kg/h i 25 kg/h. W procesie wyt³aczania tradycyjnegouzyskano wydajnoœæ 28,1 kg/h.

Stopieñ wype³nienia œlimaka weryfikowano na podsta-wie porównania d³ugoœci odcinków kana³u œlimaka ca³ko-wicie zape³nionego tworzywem. Pocz¹tek obszaru ca³ko-witego zape³nienia œlimaka jest zaznaczony strza³k¹. Nawykresie symulacji procesu ten punkt odpowiada stopnio-wi wype³nienia równemu jednoœci. WyraŸnie widaæ, ¿estopieñ wype³nienia œlimaka i d³ugoœæ strefy wype³nionejca³kowicie zwiêkszaj¹ siê ze wzrostem natê¿enia prze-p³ywu. Stopieñ wype³niania œlimaka jest stosunkowo do-brze przewidywany, zw³aszcza w przypadku natê¿enia20 kg/h. Wyniki symulacji w warunkach natê¿enia 25 kg/hby³y przeszacowane o ok. 20 %.

Postêp w uplastycznianiu oceniano na podstawiestopnia uplastycznienia, czyli udzia³u objêtoœciowegotworzywa w stanie sta³ym w ca³ej objêtoœci tworzywaw analizowanym obszarze. Poniewa¿ trudno jest wyci¹æpróbki i uzyskaæ obraz ich przekroju poprzecznego w ob-szarze nieca³kowitego wype³nienia œlimaka, ocenê prze-biegu uplastyczniania ograniczono do d³ugoœci kana³uodpowiadaj¹cej obszarowi, w którym zachodzi uplas-tycznianie. W wyniku symulacji uplastyczniania uzyska-no mniejsz¹ zgodnoœæ z doœwiadczeniem ni¿ w wynikusymulacji stopnia wype³nienia, w obu przypadkach ob-serwowano szybsze uplastycznianie w procesie wyt³a-czania z dozowaniem ni¿ wyt³aczania tradycyjnego.

W wyt³aczaniu z dozowanym natê¿eniem przep³ywu20 kg/h (rys. 6), materia³ stapia³ siê zgodnie z pierwszym

POLIMERY 2015, 60, nr 3 203

Page 6: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

mechanizmem uplastyczniania. Pocz¹tkowo stopieñuplastycznienia tworzywa ogrzewanego do temperatury

topnienia by³ równy jednoœci. Po osi¹gniêciu temperatu-ry topnienia, materia³ siê topi³ i stopieñ jego uplastycz-nienia zmniejsza³ siê a¿ do zera — wartoœci odpowiada-j¹cej ca³kowitemu stopieniu. W tym przypadku uplas-tycznienie przebiega³o stosunkowo szybko. Uzyskanaw wyniku obliczeñ symulacyjnych ca³kowita d³ugoœæ ka-na³u œlimaka, niezbêdna do uplastycznienia tworzywa,ró¿ni³a siê o ok. 25 % od wartoœci wyznaczonej doœwiad-czalnie.

204 POLIMERY 2015, 60, nr 3

stopieñ uplastycznienia

stopieñ wype³nienia

GSF=20 kg/h

GSF=20 kg/h

GSF=25 kg/h

GFF=28,1 kg/h

Rys. 6. Wyniki badañ symulacyjno-doœwiadczalnych wyt³aczaniaPE-LD/PS z prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N = 80 obr/min i dozo-wanym zasilaniem GSF = 20 kg/h (strza³ka wskazuje pocz¹tekobszaru ca³kowitego zape³nienia œlimaka)Fig. 6. Validation for extrusion of PE-LD/PS polyblend at thescrew speed N = 80 rpm and feed rate GSF = 20 kg/h (the arrowshows the beginning of the fully filled region)

Sto

pie

ñupla

stycz

nie

nia

Sto

pie

ñw

ype³

nie

nia

GSF=20 kg/h GSF=25 kg/h GFF=28,1 kg/h

GSF=20 kg/h GSF=25 kg/h GFF=28,1 kg/h

GSF=20 kg/h GSF=25 kg/h GFF=28,1 kg/h

GSF=20 kg/h GSF=25 kg/h GFF=28,1 kg/h

Rys. 5. Wyniki symulacji wyt³aczania mieszaniny PE-LD/PS zprêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N = 80 obr/min, z zasilaniem dozo-wanym GSF = 20 kg/h, GSF = 25 kg/h oraz zasilaniem grawitacyj-nym GFF = 28,1 kg/h: a) ciœnienie, b) temperatura, c) stopieñ uplas-tycznienia tworzywa, d) stopieñ wype³nienia kana³u œlimakaFig. 5. Simulation results for extrusion of PE-LD/PS polyblend atthe screw speed N = 80 rpm, feed rates GSF = 20 kg/h, GSF = 25 kg/hand flood feeding GFF = 28.1 kg/h: a) pressure, b) temperature,c) solid fraction, d) fill factor

Page 7: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

W procesie wyt³aczania z dozowanym natê¿eniemprzep³ywu 25 kg/h (rys. 7) obserwowano obydwa mecha-nizmy uplastyczniania, przy czym drugi mechanizm —w koñcowej fazie uplastyczniania. Pocz¹tkowy odcinekodpowiadaj¹cy stopniowi uplastycznienia równemu jed-noœci by³ nieco d³u¿szy ni¿ w poprzednio omawianymprzypadku (GSF = 20 kg/h), gdy¿ wiêksze by³o natê¿enieprzep³ywu tworzywa. Po osi¹gniêciu temperatury top-nienia rozpoczyna³o siê uplastycznianie, stopieñ uplas-tycznienia siê zmniejsza³, jednak, gdy kana³ œlimaka zos-ta³ ca³kowicie wype³niony tworzywem, czyli, gdy sto-pieñ wype³nienia by³ równy jednoœci, ujawni³ siê drugimechanizm uplastyczniania. I zgodnie z tym mechaniz-mem materia³ uleg³ ca³kowitemu stopieniu, czyli stopieñuplastycznienia zmniejszy³ siê do zera. Punkt na krzywejodpowiadaj¹cy koñcowi uplastycznienia by³ w tymprzypadku przesuniêty nieco dalej nie uprzednio. Do-k³adnoœæ symulacji by³a lepsza ni¿ poprzednio, wynikiró¿ni³y siê o ok. 10 % od wartoœci uzyskanych doœwiad-

czalnie, a uplastycznianie przebiega³o równie¿ stosunko-wo szybko.

W procesie wyt³aczania tradycyjnego, w którymuzyskano wydajnoœæ (natê¿enie przep³ywu) 28,1 kg/h(rys. 8), przebieg uplastyczniania by³ ca³kowicie odmien-ny, ale zgodny z naszymi dotychczasowymi doœwiadcze-niami. W tym przypadku stopieñ uplastycznienia jestdefiniowany stosunkiem szerokoœci warstwy sta³ej two-rzywa (X) do szerokoœci kana³u œlimaka (W) — wielkoœ-ci¹ okreœlon¹ w teorii klasycznego wyt³aczania jakoSBP = X/W (ang. solid bed profile). Uplastycznianie rozpo-czyna siê, gdy temperatura cylindra przewy¿sza tempe-raturê topnienia tworzywa, obserwuje siê jednak pewneopóŸnienie uplastyczniania (ang. delay), dopuszczone wmodelu takiego procesu. W miarê postêpu uplastycznia-nia stosunek szerokoœci warstwy sta³ej tworzywa do sze-rokoœci kana³u œlimaka stopniowo zmniejsza siê do zera,co nastêpuje na koñcu strefy sprê¿ania.

POLIMERY 2015, 60, nr 3 205

stopieñ uplastycznienia

stopieñ wype³nienia

GSF=20 kg/h

GSF=25 kg/h

GSF=25 kg/h

GFF=28,1 kg/h

Rys. 7. Wyniki badañ symulacyjno-doœwiadczalnych wyt³aczaniaPE-LD/PS z prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N = 80 obr/min i dozo-wanym zasilaniem GSF = 25 kg/h (strza³ka wskazuje pocz¹tekobszaru ca³kowitego zape³nienia œlimaka)Fig. 7. Validation for extrusion of PE-LD/PS polyblend at thescrew speed N = 80 rpm and feed rate GSF = 25 kg/h (the arrowshows the beginning of the fully filled region)

stopieñ uplastycznienia

stopieñ wype³nienia

GSF=20 kg/h

GFF=28,1 kg/h

GSF=25 kg/h

GFF=28,1 kg/h

Rys. 8. Wyniki badañ symulacyjno-doœwiadczalnych wyt³aczaniaPE-LD/PS z prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N = 80 obr/min i zasila-niem grawitacyjnym GFF = 28,1 kg/h (strza³ka wskazuje pocz¹tekobszaru ca³kowitego zape³nienia œlimaka)Fig. 8. Validation for extrusion of PE-LD/PS polyblend at thescrew speed N = 80 rpm and flood feeding GFF = 28.1 kg/h (thearrow shows the beginning of the fully filled region)

Page 8: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

Weryfikacjê obliczeñ rozk³adu ciœnienia przedstawio-no na rys. 9. Jak widaæ, ciœnienie by³o generowane jedy-nie w obszarze ca³kowitego wype³nienia œlimaka. War-toœci ciœnienia dobrze przewidywane zarówno w proce-sie wyt³aczania z dozowaniem, jak i wyt³aczania trady-cyjnego, w pobli¿u g³owicy by³y przeszacowane.

Ciœnienie — zerowe w obszarze niezape³nionego œli-maka — roœnie ze wzrostem natê¿enia przep³ywu. Naj-wy¿sze wartoœci ciœnienia uzyskuje siê w procesie wyt³a-czania tradycyjnego. Niewielkie zmniejszenie natê¿eniaprzep³ywu (tj. ok. 10 %, z 28,1 kg/h — wyt³aczanie trady-cyjne do 25 kg/h — wyt³aczanie z dozowaniem) powodu-je zmniejszenie maksymalnego ciœnienia w cylindrzewyt³aczarki, wg danych doœwiadczalnych, z 27 MPa do16 MPa, czyli o ok. 40 %, a wed³ug danych symulacyj-nych, z 26 MPa do 19 MPa, czyli o ok. 30 %. Taki spadekciœnienia wp³ywa równie¿ na wyraŸnie mniejsze zu¿ycieenergii.

Przeprowadzono tak¿e badania symulacyjne wyt³a-czania mieszaniny PE-LD/PS w warunkach sta³ego natê-¿enia przep³ywu 5 kg/h i zmiennej prêdkoœci obrotowej

206 POLIMERY 2015, 60, nr 3

GSF=20 kg/h GSF=25 kg/h GFF=28,1 kg/h

GSF=20 kg/h

GSF=25 kg/h

GFF=28,1 kg/h

Rys. 9. Wyniki symulacji i pomiaru ciœnienia w procesie wyt³a-czania PE-LD/PS, z prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N = 80 obr/mini dozowanym zasilaniem GSF = 20 kg/h, GSF = 25 kg/h oraz zasila-niem grawitacyjnym GFF = 28,1 kg/h: a) wyniki symulacji, b) wy-niki pomiarówFig. 9. Validation for pressure computations for extrusion ofPE-LD/PS polyblend at the screw speed N = 80 rpm, feed ratesGSF = 20 kg/h, GSF = 25 kg/h and flood feeding GFF = 28.1 kg/h: a) si-mulation, b) experimental

Rys. 12. Wyniki symulacji wyt³aczania PE-LD/PS z dozowanymzasilaniem GSF = 5 kg/h i prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N =80 obr/minFig. 12. Simulation results for starve-fed extrusion of PE-LD/PSpolyblend at the feed rate GSF = 5 kg/h and screw speed N = 80 rpm

Rys. 11. Wyniki symulacji wyt³aczania PE-LD/PS z dozowanymzasilaniem GSF = 5 kg/h i prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N =50 obr/minFig. 11. Simulation results for starve-fed extrusion of PE-LD/PSpolyblend at the feed rate GSF = 5 kg/h and screw speed N = 50 rpm

Rys. 10. Wyniki symulacji wyt³aczania PE-LD/PS z dozowanymzasilaniem GSF = 5 kg/h i prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka N =20 obr/minFig. 10. Simulation results for starve-fed extrusion of PE-LD/PSpolyblend at the feed rate GSF = 5 kg/h and screw speed N = 20 rpm

Page 9: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

œlimaka 20 obr/min, 50 obr/min i 80 obr/min (rys. 10—12).Stopieñ wype³nienia oraz d³ugoœæ odcinka kana³u œlima-ka ca³kowicie wype³nionego tworzywem zmniejszaj¹ siêze wzrostem prêdkoœci obrotowej œlimaka.

Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na profil ciœnie-nia nie jest jednoznaczny (rys. 13). Pocz¹tkowo ciœnienieroœnie do wartoœci maksymalnej, odpowiadaj¹cej prêd-koœci 50 obr/min, a nastêpnie maleje. To nieoczekiwanezjawisko jest efektem silnej zale¿noœci lepkoœci od szyb-koœci œcinania i temperatury.

PODSUMOWANIE

Badania symulacyjno-doœwiadczalne procesu wyt³a-czania z dozowaniem mieszaniny PE-LD/PS wykonanona podstawie odpowiednio zmodyfikowanego modelukomputerowego procesu.

Ta pierwsza ca³oœciowa symulacja procesu wyt³acza-nia jednoœlimakowego mieszanin z dozowanym zasila-niem obejmowa³a m.in. rozk³ad ciœnienia i temperatury,przebieg uplastyczniania tworzywa oraz wype³nianietworzywem œlimaka.

Wykazano, ¿e przebieg uplastyczniania mieszaninyPE-LD/PS w procesie wyt³aczania z dozowaniem jestca³kowicie odmienny ni¿ w procesie wyt³aczania trady-cyjnego z zasilaniem grawitacyjnym. Uplastycznianie wwarunkach dozowanego zasilania jest szybsze, d³ugoœæodcinka kana³u œlimaka niezbêdna do ca³kowitegouplastycznienia tworzywa roœnie, gdy zwiêksza siê jegonatê¿enie przep³ywu. Œlimak wype³nia siê ca³kowicietworzywem jedynie w koñcowej czêœci wyt³aczarki,przed g³owic¹. W pozosta³ej czêœci jest wype³niony tylkoczêœciowo. Obszar ca³kowitego zape³nienia œlimaka zale-¿y od natê¿enia przep³ywu tworzywa i prêdkoœci obroto-wej œlimaka. Stopieñ wype³nienia œlimaka wzrasta, gdy

roœnie natê¿enie przep³ywu tworzywa (przy sta³ej prêd-koœci obrotowej œlimaka), natomiast maleje, gdy roœnieprêdkoœæ obrotowa œlimaka (przy sta³ym natê¿eniuprzep³ywu). Ciœnienie, generowane jedynie w obszarzeca³kowitego wype³nienia œlimaka, zwykle zwiêksza siêze wzrostem natê¿enia przep³ywu i prêdkoœci obrotowejœlimaka.

Przedstawiony model dosyæ dobrze opisuje proceswyt³aczania z dozowaniem tworzywa i mo¿e stanowiæpodstawê do modelowania rozwoju morfologii miesza-nin w badanym procesie. Umo¿liwia dok³adne okreœle-nie przestrzeni w kanale œlimaka, ca³kowicie zape³nionejtworzywem. Mikroreologiczne modelowanie rozwojumorfologii, mo¿liwe w tej wyznaczonej przestrzeni, jakdot¹d nie by³o prowadzone w odniesieniu do procesuwyt³aczania jednoœlimakowego z dozowanym zasila-niem.

LITERATURA

[1] Utracki L.A.: “Polymer Alloys and Blends — Thermody-namics and Rheology”, Hanser Publisher, Munich 1989.

[2] “Mixing and Compounding of Polymers” (red. Ma-nas-Zloczower I.), Hanser Publisher, Munich 2009.

[3] Utracki L.A., Shi Z.H.: Polym. Eng. Sci. 1992, 32, 1824.http://dx.doi.org/10.1002/pen.760322405

[4] Huneault M.A., Shi Z.H., Utracki L.A.: Polym. Eng. Sci.

1995, 35, 115. http://dx.doi.org/10.1002/pen.760350114[5] Delamare L., Vergnes B.: Polym. Eng. Sci. 1996, 36, 1685.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.10565[6] Potente H., Bastian M.: Polym. Eng. Sci. 2000, 40, 727.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.11202[7] Lee S.H., White J.L.: Int. Polym. Proc. 1998, 13, 247.

http://dx.doi.org/10.3139/217.980247[8] Potente H., Bastian M., Flecke J., Schramm D.: Int. Polym.

Proc. 2001, 16, 131. http://dx.doi.org/10.3139/217.1633[9] Wilczyñski K., Jiang Q., White, J.L.: Int. Polym. Proc. 2007,

22, 198. http://dx.doi.org/10.3139/217.2001[10] Wilczyñski K., White J.L.: Polimery 2008, 53, 754.[11] Wilczyñski K., Lewandowski A.: Polimery 2010, 55, 883.[12] Wilczyñski K., Nastaj A., Lewandowski A., Wilczyñski

K.J.: Polimery 2011, 56, 45.[13] Wilczyñski K., Tyszkiewicz A., Szymaniak Z.: J. Mater.

Proc. Technol. 2001, 109, 320.http://dx.doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00820-7

[14] Wilczyñski K.: J. Mater. Proc. Technol. 2001, 109, 308.http://dx.doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00821-9

[15] Domingues N., Gaspar-Cunha A., Covas J.A.: Polym. Eng.

Sci. 2010, 50, 2194. http://dx.doi.org/10.1002/pen.21756[16] Ariffin A., Ahmad M.S.B.: Polym. Plast. Technol. Eng. 2011,

50, 395. http://dx.doi.org/10.1080/03602559.2010.543228[17] Carley J.F., Strub R.A., Mallouk R.S. i in.: Ind. Eng. Chem.

1953, 45, 969. http://dx.doi.org/10.1021/ie50521a030[18] Maddock B.H.: SPE Journal 1959, 15, 383.[19] Street L.F.: Int. Plast. Eng. 1961, 1, 289.[20] Tadmor Z.: Polym. Eng. Sci. 1966, 6, 185.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.760060303

POLIMERY 2015, 60, nr 3 207

N=20 obr/min N=50 obr/min N=80 obr/min

Rys. 13. Wyniki obliczeñ ciœnienia w procesie wyt³aczaniaPE-LD/PS z dozowanym zasilaniem GSF = 5 kg/h i prêdkoœci¹ ob-rotow¹ œlimaka N = 20 obr/min, N = 50 obr/min, N = 80 obr/minFig. 13. Pressure computations for starve-fed extrusion ofPE-LD/PS polyblend at the feed rate GSF = 5 kg/h and screwspeeds N = 20 rpm, N = 50 rpm, N = 80 rpm

Page 10: Modelowanie procesu wyt³aczania jednoœlimakowego z ...

[21] Tadmor Z., Duvdevani I.J., Klein I.: Polym. Eng. Sci. 1967, 7,198. http://dx.doi.org/10.1002/pen.760070313

[22] Tadmor Z., Klein I.: “Engineering Principles of Plastica-ting Extrusion”, Van Nostrand Reinhold, New York 1970.

[23] Agur E.E., Vlachopoulos J.: Polym. Eng. Sci. 1982, 22, 1084.http://dx.doi.org/10.1002/pen.760221706

[24] Vincelette A.R., Carreau P.J., Lafleur P.G.: Int. Polym. Proc.

1989, 4, 232. http://dx.doi.org/10.3139/217.890232[25] Potente H., Hanhart W., Schoppner V.: Int. Polym. Proc.

1993, 8, 335. http://dx.doi.org/10.3139/217.930335[26] Wilczyñski K.: Polym. Plast. Technol. Eng. 1996, 35, 449.

http://dx.doi.org/10.1080/03602559608000931[27] Altinkaynak A., Gupta M., Spalding M.A., Crabtree S.L.:

Int. Polym. Proc. 2011, 26, 182.http://dx.doi.org/10.3139/217.2419

[28] Nichols R.J., Kruder G.A.: Proceedings of ANTEC 1974,20, 462.

[29] McKelvey J.M.: Plast. Eng. 1978, June, 45.[30] Lopez-Latorre L., McKelvey J.M.: Adv. Polym. Technol.

1984, 3, 355. http://dx.doi.org/10.1002/adv.1984.060030404

[31] Isherwood D.P., Pieris R.N., Kassatly J.: Trans. ASME 1984,106, 132.

[32] Gale M.: Adv. Polym. Technol. 1997, 16, 251. http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1098-2329(199711)16:4%3C251::AID-ADV1%3E3.3.CO;2-J

[33] Thompson M.R., Donoian G., Christiano J.P.: Polym. Eng.

Sci. 2000, 40, 2014. http://dx.doi.org/10.1002/pen.11334[34] Strand S.R., Spalding M.A., Hyun S.K.: Proceedings of

ANTEC 1992, 38, 2537.[35] Wilczyñski K., Lewandowski A., Wilczyñski K.J.: Polym.

Eng. Sci. 2012, 52, 1258.http://dx.doi.org/10.1002/pen.23076

[36] Wilczyñski K., Nastaj A., Wilczyñski K.J.: Int. Polym. Proc.

2013, 28, 34. http://dx.doi.org/10.3139/217.2640[37] Wilczyñski K.J., Nastaj A., Lewandowski A., Wilczyñski

K.: Polym. Eng. Sci. 2014, 54, 2362.http://dx.doi.org/10.1002/pen.23797

Otrzymano 31 III 2014 r.

208 POLIMERY 2015, 60, nr 3

W kolejnym zeszycie uka¿¹ siê m.in. nastêpuj¹ce artyku³y:

— P. Groch, K. Dziubek, K. Czaja — Silseskwioksany i ich zastosowanie w syntezie materia³ów polimerowych

— J. Kowalonek, H. Kaczmarek, E. Miku³a — Badania jonomerów styrenowych poddanych dzia³aniu plazmy(j. ang.)

— B. Jêdrzejewska, M. Kowalska — Synteza i badania nowych, homodimerycznych barwników styrylobenzi-midazoliowych jako fotoinicjatorów polimeryzacji rodnikowej monomerów akrylowych (j. ang.)

— A. Por¹bka, K. Jurkowski, J. Laska — Popio³y lotne jako nape³niacze i œrodki zmniejszaj¹ce palnoœæ polietyle-nu ma³ej gêstoœci (j. ang.)

— Z. Bo, L. Jing-wei, L. Shu-guang, L. Yi-hui, H. Ju-tao — Odpornoœæ pow³ok epoksydowych na kruche pêkaniew funkcji temperatury (j. ang.)

— M. Mas³owski, M. Zaborski — Wp³yw procesów starzenia termo- i fotooksydacyjnego na w³aœciwoœcimechaniczne magnetoreologicznych kompozytów elastomerowych

— M. Iwañski, G. Mazurek — Wp³yw dodatku wosku syntetycznego Fischera-Tropscha na w³aœciwoœci funk-cjonalne asfaltu

— M. Kucharek, P. Janas — Analiza wytrzyma³oœciowa folii jadalnych na bazie ksantanu

— A. Raszkowska-Kaczor, A. Stasiek, K. Janczak, E. Olewnik — Chemicznie sieciowane pianki polietylenoweo ograniczonej palnoœci (j. ang.)