압출을 통한 멱 법칙 모델 시연

압출기는 단일 및 트윈 나사 디자인모두에 존재하며, 후자는 산업에서 더 일반적으로 사용됩니다. 압출 가능한 폴리머에는 PVC, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 올레핀 중합체 및 ABS(아크릴로니톨-부타디엔 스티렌)가 포함됩니다. 필름이나 얇은벽(예:우유 병)과 같은 얇은 모양은 일반적으로 블로우 성형에 의해 형성됩니다. 차체 부품과 같은 복잡한 두꺼운 모양은 일반적으로 사출 성형에 의해 형성됩니다. 그러나, 압출기는 여전히 사출 금형으로 폴리머를 공급하는 데 사용된다.

압출기(그림 1)는 저항가열원소와 내부의 중심선을 따라 회전하는 헬리컬 나사가 있는 원통형 챔버("배럴")로 구성됩니다. 나사의 채널 (비행 사이)은 믹싱과 용융을 촉진하기 위해 피더 끝에 넓지만 폭은 길이에 따라 감소하여 다이로 압력 축적을 촉진합니다. 비행과 배럴 사이의 간격이 작아지는 등 고도도 증가합니다. 나사는 피더에서 꾸준한 수송을 보장하고, 펠릿이 녹으면 부피를 줄여주고, 압력을 가하고, 다이를 통해 용융을 운반하도록 설계되었습니다.

그림 1. 압출기 어셈블리의 회로도. TIC = 온도 표시 컨트롤러, PI = 압력 표시기. 다이는 원통형, 12.5mm 길이의 2mm 내부 직경입니다.

폴리머 용융의 흐름 거동은 전단 속도, 온도 및 압력으로 변화합니다. 유체 점도는 전단 속도와 온도 증가와 함께 감소 - 그것은 뉴턴 아니다. 이 속성("점성")은 가공 및 설계 측면에서 중요합니다. ^1,2

폴리머 용융의 점탄성 거동은 두 가지 실증상상, 점도, m및 인덱스 n의계수를 포함하는 파워 법 모델에 의해 설명된다. 파라미터 m은 온도의 강한 함수이지만 매개 변수 n은 온도에 따라 다를 수 있습니다. 매개 변수는 넓은 범위에 걸쳐 전단 속도에 따라 다를 수 있습니다. 다이에서 전단 응력 (z 방향의 흐름, r 방향의 응력 전파)에 대한 전원 법 모델은 다음과 같은 것입니다.

(1)

응력에 대한 이 방정식이 모션의 z 방향 방정식으로 대체되고, 응력_rz 점성 응력 및 z-압력 유도체만 유지되는 경우(점도가 너무 높기 때문에 대부분의 폴리머 흐름에 대해 좌측 관성 용어는 무시할 수 있음), 수율로 해결할 수 있는 일반 차동 방정식이 생성됩니다.

(2)

여기서 ΔP는 다이를 통해 압력 강하이고, L과 R은 각각 다이 길이와 반경이다.

Q 대 ΔP 관계는 전원 법 모델을 사용하여 계산되었으며 ir은 간단한 형상의 도관에서 흐름에 대한 간단한 형태를 취하며,이 경우 다이입니다. 흐름, 속도 및 온도 측정에서 전단 속도, 전단 응력 및 미끄러짐 정도와 같은 전력법 상수 및 기타 수량을 계산했습니다. 대표적인 데이터와 선형 회귀에 의한 방정식 2에 대한 적합성은 도 2에표시됩니다. 데이터는 질량 흐름 = 11 - 28 g / min, 전단 속도 (벽에서) = 35 - 85 s^-1,점도 (벽) = 760 - 460 Pa/s에 걸쳐 있습니다.

그림 2: 압력(P)과 유량(Q) 간의 관계를 묘사한 결과입니다.

선형 회귀 적합도가 좋았다(R² = 0.9996). 그러나, 방정식 2에 선형 회귀를 적용하기 위해 Q ~Q_0의 로그 비율은 (Q_0은 데이터 포인트일 수 있지만 여기서 가장 낮은 Q가 사용되었습니다)는 회귀되어 자유의 정도를 잃었습니다. 비선형 회귀는 비선형 회귀가 더 잘 어울린다는 것을 나타내는 경우는 아닙니다. 전력법 지수와 점도의 계수는 표시된 데이터에서 계산되었습니다. 전력법 지수(n)는 0.42로 결정되었고 점도(m)의 계수는 2.2 x 10^-2 MPa*s^n으로결정되었다.

유량은 다이 팽창 비율에 약간의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나, 유량을 증가시켜 폴리머 미끄러짐에 영향을 미치지 않았으며, 적어도 도 3의데이터에 대해서는 영향을 미치지 않았다.

그림 3: 볼륨 유량(Q)과 RPM의 속도 간의 관계입니다.

중합체 압출은 호퍼를 통해 압출기에 들어가는 폴리머 수지의 용융으로 시작됩니다. 용융 된 폴리머의 흐름은 물질의 점도 (전단 응력대 전단 속도의 비율) 거동에 따라 달라집니다. 폴리머는 다이를 통해 나뭇잎, 원하는 치수에 형성된다. 중합체의 흐름은 전력법 모델을 따를 것으로 예상된다.

본 실험에서, 비뉴턴 유체의 흐름을 분석하기 위해 동작의 z 방향 방정식과 함께 사용되는 방법과 나사 속도와 T에 대한 응답으로 흐름과 점도가 얼마나 크게 변화하는지를 포함하여 전력법 모델의 역학이 관찰되었다. 점성 유체는 파워 법 지수 <1을 가지는 반면 뉴턴 유체의 경우 지수는 1입니다. 이는 속도가 증가함에 따라 점도가 감소하고 용융이 흐르기 위해서는 전력/질량이 적게 필요하다는 것을 나타냅니다.

압출은 파이프 및 튜브, 필름, 와이어 절연, 코팅 및 기타 플라스틱 제품의 많은 유형을 만드는 기본 프로세스입니다. ¹ 압출 제품에는 일반적으로 배관, 폴리에틸렌 및 포장, 폴리 프로필렌, ABS, 아세트 및 아크릴에 사용되는 폴리 염화 비닐 (PVC)이 포함됩니다. ¹

압출은 폴리머를 단순한 모양으로 변환하는 효율적인 프로세스입니다. 그러나, 많은 압출기는 또한 폴리머와 비 중합체 물질을 혼합하는 기능. 비행을 통한 헬리칼 흐름은 효율적인 혼합을 촉진합니다. 이러한 비 중합체 첨가제는 가소제 (점도를 낮추고 제품을 더 연성하게 만드는 데 사용되는 유기 화합물), 항산화 제 및 난연제를 포함합니다. 탄소, 점토 및 활석과 같은 무기 필러조차도 (녹지 않기 때문에) 한계 내에서 추가 될 수 있습니다. 필러는 최종 제품의 기계적 특성을 수정하여 종종 더 많은 인성을 부여합니다.

블로우 필름 압출 및 오버 재킷 압출과 같은 다른 압출 공정은 독특한 제품을 만들 수 있지만 제한된 범위의 제품에 더 전문적입니다. 압출기의 주요 용도는 제품을 블로우 또는 사출 몰더에 공급하는 것입니다. 사출 성형은 차체 및 후드 아래 부품에서 장난감, 기어에 이르기까지 다양한 복잡한 제품을 만듭니다. 오버 재킷 압출은 전선을 코팅하는 데 사용되며, 튜브 압출 (환상 다이)은 산업 및 주거 배관을 만듭니다. 플라스틱 시트는 코트 옷걸이와 유사한 다이를 통해 흐름에 의해 생성됩니다. ¹

압출기는 식품 가공에도 자주 사용됩니다. 파스타, 빵, 시리얼 과 같은 제품은 대량으로 압출됩니다. 전분은 수분 함량과 점도 프로파일로 인해 식품 압출에서 가장 일반적으로 처리됩니다. 플라스틱 압출에서 용융하는 과정은 식품 생산에서 요리하는 과정이됩니다. 압출을 통해 만든 다른 식품은 과자, 쿠키 반죽 및 애완 동물 사료입니다.

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