Analyse und Modellierung der Feststoffförderung und des Aufschmelzprozesses eines neuartigen Einschneckensystems sehr kurzer Baulänge zur Plastifizierung von Polymeren

点击翻译按钮获取中文摘要

Im Gegensatz zu den in der Kunststoffverarbeitung bisher bekannten Extruderbauformen handelt es sich bei dem in diesem Antrag beschriebenen System um ein gänzlich anderes Prinzip hinsichtlich der geometrischen Gestaltung von Schnecke und Zylinder und somit der Anordnung der Funktionsbereiche Feststoffförderung, Aufschmelzen und Schmelzeförderung. Der Extruder zeichnet sich durch seine sehr kurze Baulänge (L/D<5) aus. Die Schnecke ist mehrgängig ausgeführt und weist eine konische Kontur auf, d.h. die Höhe der Schneckengänge nimmt in Extrusionsrichtung zu. Der Zylinder ist auf der Innenseite mit wendelförmigen Nuten versehen, wobei die Höhe der Nutstege in Extrusionsrichtung abnimmt. Zwischen den Stegen von Schnecke und Wendelnuten ist ein in seiner Höhe einstellbarer Spalt vorhanden. Hier findet der Plastifizierprozess statt. Obwohl dieses in der Lebensmitteltechnik entwickelte Funktionsprinzip bereits seit Mitte des 20. Jh. bekannt ist sind bisher auch im Bereich der Lebensmitteltechnologie keinerlei grundlegende Forschungsarbeiten zur Beschreibung und Modellbildung dieses Systems bekannt geworden. Somit stellt das beschriebene Plastifizierprinzip vom wissenschaftlichen Standpunkt aus ein völlig neuartiges Forschungsgebiet dar. Im Rahmen von orientierenden Voruntersuchungen des Antragstellers konnte gezeigt werden, dass dieses Extruderkonzept gut zur Plastifizierung thermoplastischer Polymere geeignet ist. So wurde bisher die Verarbeitbarkeit eines breiten Spektrums von Kunststoffen wie Polyolefinen (PE, PP), Styrolpolymeren (PS, SAN), Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacylat (PMMA) gezeigt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, grundlegende theoretische Kenntnisse über die Funktionsweise des beschriebenen Extruderprinzips in seiner bisher verwendeten Bauform zu erarbeiten, welche die Formulierung mathematisch-physikalischer Modelle ermöglichen. Es sind Modelle für die Feststoffförderung auf Basis von Kräfte- und Momentenbilanzen sowie das Aufschmelzen unter Einbeziehung der Umsetzung von Reibarbeit in dem System Schnecke-Spalt- Zylindernut zu erarbeiten. Zur Verifizierung der theoretischen Modelle sind experimentelle Untersuchungen an einem bestehenden Prototypenextruder vorgesehen. Ausgehend von diesen mathematisch-physikalischen Modellen wird es dann möglich sein, durch Kopplung der einzelnen Modelle und systematische Variation der Einflussparameter deren jeweiligen Einfluss auf wesentliche Kenndaten eines Extruders wie Durchsatz und Druckaufbau zu erkennen. Somit kann eine Optimierung der Geometrie erfolgen, um die bisher nicht bekannten Potenziale dieses Extruderkonzeptes hinsichtlich Durchsatz und Schmelzequalität voll auszuschöpfen.