Hoe smeltbreuken tijdens EP-extrusie te voorkomen

Inleiding

Onder „smeltbreuk“ wordt het verschijnsel verstaan waarbij polymeersmelt tijdens het extrusiegieten oppervlakte-instabiliteit vertoont wanneer de afschuifsnelheden een kritische drempel overschrijden. Dit leidt ertoe dat het oppervlak van het geëxtrudeerde materiaal ruw wordt en vervormingen vertoont zoals „haaienhuid“, oneffenheden, bamboe-achtige patronen of spiraalvormige vervormingen. Smeltbreuk kan ernstige gevolgen hebben voor de productkwaliteit en de productie-efficiëntie.

Als classic e reologisch testinstrument maakt de capillaire reometer het mogelijk om smeltbreukverschijnselen te onderzoeken over een breed bereik van afschuifsnelheden en temperaturen voor diverse materialen.

Daarom werd in dit onderzoek een NETZSCH e Rosand RH10 capillaire reometer (figuur 1) gebruikt om de effecten van temperatuur, de inlaathoek van de matrijs en de lengte-diameterverhouding van de matrijs op smeltbreuk in polyethyleen (PE)-materialen systematisch te onderzoeken. Dit onderzoek heeft tot doel de PE-verwerkingstechnieken in de daadwerkelijke productie te sturen, het optreden van smeltbreuk te voorkomen en daarmee de productie-efficiëntie en de kwaliteit van PE-producten te verbeteren.

Meetomstandigheden en testmethode

De meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.

Tabel 1: Meetomstandigheden

Nadat de matrijzen onder de linker cilinder waren geïnstalleerd en was gewacht tot de temperatuur zich had gestabiliseerd, werden PE-korrels langzaam aan de cilinder toegevoegd, werd de cilinder vooraf onder druk gezet tot 1 MPa en werd het mengsel vervolgens gedurende 5 minuten bij een constante temperatuur voorverwarmd. Vervolgens voerde het instrument automatisch de test uit volgens de ingestelde tabel met afschuifsnelheden en registreerde het de gegevens over de smeltdruk, de afschuifviscositeit en de temperatuur.

Testresultaten en bespreking

Invloed van de verwerkingstemperatuur op het smeltbreukfenomeen bij PE

Figuur 2 toont de curven van de schijnbare^{afschuifviscositeit¹} tegen de schijnbare^{afschuifsnelheid²} voor PE-monsters bij verschillende temperaturen. Zoals te zien is, neemt de schijnbare afschuifviscositeit van de PE-monsters bij alle temperatuuromstandigheden geleidelijk af naarmate de afschuifsnelheid toeneemt, wat een typisch afschuifverdunnend gedrag vertoont. Dit komt doordat de afschuifkrachten in de capillaire matrijs de verstrengelingen tussen de PE-molecuulketens verbreken, waardoor de intermoleculaire interacties afnemen en de schijnbare afschuifviscositeit bijgevolg daalt. Bovendien neemt bij stijgende temperatuur het vrije volume van de PE-smelt toe, waardoor de mobiliteit van de ketensegmenten toeneemt en de intermoleculaire krachten verzwakken. Als gevolg hiervan neemt de vloeibaarheid van de PE-smelt toe. Daarom neemt bij dezelfde schijnbare afschuifsnelheid de schijnbare afschuifviscositeit van de PE-monsters af naarmate de temperatuur stijgt.

^1Deschijnbare afschuifviscositeit is de direct berekende afschuifviscositeit zonder Rabinowitsch CorrectieDe Rabinowitsch (of Weissenberg-Rabinowitsch) correctie wordt toegepast om nauwkeurigere waarden voor schuifsnelheden te krijgen van niet-Newtonse materialen, gemeten met een capillaire stromingstechniek.correctie voor het stromingsveld of inlaateffecten.

^2Deschijnbare afschuifsnelheid is de direct berekende afschuifsnelheid zonder Rabinowitsch CorrectieDe Rabinowitsch (of Weissenberg-Rabinowitsch) correctie wordt toegepast om nauwkeurigere waarden voor schuifsnelheden te krijgen van niet-Newtonse materialen, gemeten met een capillaire stromingstechniek.correctie voor het stromingsveld.

Figuur 3 toont foto’s van de oppervlaktemorfologie van PE-smelt die bij verschillende temperaturen en afschuifsnelheden door een capillaire matrijs is geëxtrudeerd. Zoals uit de figuur blijkt, blijven de oppervlakken van de PE-extrudaten bij relatief lage afschuifsnelheden (niet hoger dan 300 s⁻¹) relatief glad. Naarmate de afschuifsnelheid echter toeneemt, beginnen er onregelmatige schommelingen op het oppervlak van de extrudaten te verschijnen. Met name bij 200 °C treedt smeltbreuk op in het PE-extrudaat bij een afschuifsnelheid van 300 s⁻¹. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 220 °C, stijgt de kritische schijnbare afschuifsnelheid voor het optreden van smeltbreuk tot 500 s⁻¹. Een verdere temperatuurverhoging tot 250 °C vertraagt de smeltbreuk totdat een schijnbare afschuifsnelheid van 800 s⁻¹ wordt bereikt.

Dit gedrag kan worden toegeschreven aan de toegenomen thermische beweging van moleculaire ketens bij hogere temperaturen, die de oriëntatie- en ontwarringseffecten tegengaat die worden veroorzaakt door externe schuifkrachten. Naarmate de temperatuur stijgt, zorgt de intensievere beweging van de moleculaire ketens ervoor dat de kritische schuifsnelheid die nodig is om smeltbreuk te veroorzaken, toeneemt. Daarom kan, mits voldoende smeltsterkte behouden blijft, het verhogen van de verwerkingstemperatuur tijdens het extruderen de oppervlaktekwaliteit van PE-producten effectief verbeteren.

Invloed van de ingangshoek van de matrijs op het breukgedrag van gesmolten PE-producten

Figuur 4 toont de oppervlaktemorfologie van PE-smelt die bij 220 °C en verschillende afschuifsnelheden door capillaire matrijzen met verschillende ingangshoeken wordt geëxtrudeerd. Zoals in de figuur te zien is, blijven de oppervlakken van het extrudaat relatief glad bij lage schijnbare afschuifsnelheden (niet hoger dan 500 ^s⁻¹). Naarmate de afschuifsnelheid toeneemt, beginnen er echter onregelmatige fluctuaties op het oppervlak te verschijnen. Met name wanneer de ingangshoek van de matrijs 180° bedraagt, treedt smeltbreuk op bij een schijnbare afschuifsnelheid van 500 ^s⁻¹.

Wanneer daarentegen een matrijs met een ingangshoek van 90° wordt gebruikt, stijgt de kritische schijnbare afschuifsnelheid voor het ontstaan van smeltbreuk tot 800 s⁻¹. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de abrupte vernauwing van de smeltstroomlijnen wanneer het polymeer vanuit de cilinder in een matrijs met een kleinere ingangshoek stroomt, waardoor een aanzienlijke rekstroomcomponent ontstaat. Bij snelle rek raken de PE-molecuulketens sterk georiënteerd, wat leidt tot een verbeterd elastisch herstel na het verlaten van de matrijs. Dit resulteert in een toegenomen zwelling in de matrijs. Tegelijkertijd kan de concentratie van trekspanningen gemakkelijk smeltbreuk veroorzaken. Daarom kan het verkleinen van de ingangshoek van de matrijs bijdragen aan het verkrijgen van gladder PE-producten.

Invloed van de lengte-diameterverhouding van de matrijs op het breukgedrag van PE-smelt draagt bij aan het verkrijgen van gladdere PE-producten

Figuur 5 toont foto's van de oppervlaktemorfologie van PE-smelt die door capillaire matrijzen met verschillende lengte-diameterverhoudingen (L/D) en bij diverse schijnbare afschuifsnelheden is geëxtrudeerd. Zoals te zien is, blijven de oppervlakken van de PE-extrudaten bij relatief lage schijnbare afschuifsnelheden (niet hoger dan 300 ^s⁻¹) glad. Naarmate de afschuifsnelheid toeneemt, beginnen er echter onregelmatige fluctuaties te verschijnen. Met name wanneer de L/D-verhouding 8:1 is, treedt smeltbreuk op bij een schijnbare afschuifsnelheid van 300 ^s⁻¹. Wanneer daarentegen L/D-verhoudingen van 16:1 of 32:1 worden gebruikt, stijgt de kritische afschuifsnelheid voor het optreden van smeltbreuk tot 500 ^s⁻¹.

Bij nadere bestudering van de uitvergrote beelden van de morfologie van het extrudaat bij een afschuifsnelheid van 500 ^s⁻¹ blijkt echter dat het oppervlak van het extrudaat dat is geproduceerd met een L/D-verhouding van 32:1 gladder is dan dat van het extrudaat met een verhouding van 16:1. Dit gedrag wordt toegeschreven aan het feit dat een kleinere L/D-verhouding van de matrijs resulteert in een kortere relaxatietijd voor de PE-molecuulketens in de capillair. Als gevolg hiervan kan de tijdens de stroming opgeslagen elastische energie niet volledig worden vrijgegeven, waardoor de smelt gevoeliger is voor breuken. Daarom kan het aanpassen van de L/D-verhouding van de matrijs ook een effectieve methode zijn om de oppervlaktekwaliteit van PE-producten te verbeteren.

Conclusie

In dit onderzoek werden de morfologische veranderingen van polyethyleen (PE)-extrudaten bij verschillende afschuifsnelheden, temperaturen, matrijsinstaphoeken en verhoudingen tussen matrijslengte en -diameter bestudeerd met behulp van een Rosand RH10 capillaire reometer ( NETZSCH ). Onder een bepaalde kritische drempelwaarde voor de afschuifsnelheid vertoonden de extrudaten gladde oppervlakken. Toen de afschuifsnelheid deze kritische waarde overschreed, werd het oppervlak van de PE-extrudaten ruw en trad smeltbreuk op. Er werd waargenomen dat het verhogen van de verwerkingstemperatuur, het verkleinen van de matrijs-ingangshoek en het gebruik van een grotere verhouding tussen matrijslengte en -diameter allemaal bijdroegen aan het onderdrukken van het smeltbreukfenomeen. Aangezien de oppervlaktemorfologie van de PE-extrudaten bovendien alleen bij discrete afschuifsnelheden werd onderzocht, wordt een gedetailleerder onderzoek met behulp van de ‘Melt Fracture Test’-modus aanbevolen om de kritische afschuifsnelheid voor het optreden van smeltbreuk nauwkeurig te bepalen.