Warum es für alle Polymere kein 'universelles' Schraubendesign gibt

Eine häufige Frage in der Polymerverarbeitung lautet: 'Warum kann es nicht ein Schraubendesign geben, der alle Kunststoffe verarbeitet? '

Während viele Menschen annehmen, dass 'Plastic ' eine einzelne Kategorie ist, hat in Wirklichkeit jeder Polymertyp ein sehr unterschiedliches Verarbeitungsverhalten. Diese Unterschiede in den thermischen Eigenschaften, der Viskoelastizität, der Dichte und der Reibung machen es nahezu unmöglich, eine universelle Schraube zu entwerfen, die bei Spitzeneffizienz über alle Materialien hinweg arbeitet.

Kernfunktionen einer Extruderschraube

Jede Extruderschraube mit einem Schraubenflächen führt drei wesentliche Funktionen aus:

1. Feste Förderung

2. Schmelzen

3. Messung und Pumpen

Jede Funktion wird stark von den inhärenten Eigenschaften des verarbeiteten Polymers beeinflusst. Deshalb ist ein für ein Polymer optimiertes Schraubendesign häufig mit einem anderen schlecht ab.

Fallstudie: HDPE vs. Hüften Energiebedarf

Der Vergleich von Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE) mit hohem Impakt-Polystyrol (Hüften) zeigt diese Unterschiede.

• Beide haben ähnliche Verarbeitungstemperaturen, HDPE hat jedoch eine höhere spezifische Wärme (0,55 BTU/lb- ° F) als Hüften (0,40 BTU/lb- ° F). Dies bedeutet, dass das Erhitzen von HDPE 37,5% mehr Pferdestärken als Hüften benötigt.

• Zusätzlich ist HDPE ein kristallines Material und benötigt eine zusätzliche Wärme der Fusion (100 BTU/lb) zum Schmelzen, während die Hüften ohne einen deutlichen Schmelzpunkt amorph sind.

• Insgesamt benötigt HDPE eine Gesamtleistung von fast 50% als die Hüften, um die Verarbeitungstemperatur zu erreichen.

Viskoelastische und Dichteffekte

Polymere unterscheiden sich auch in ihren viskoelastischen Eigenschaften, die steuern, wie die Viskosität auf Temperatur und Schergeschwindigkeit reagiert:

• Power Law Index (N): Empfindlichkeit gegenüber Scherfrequenz

• Konsistenzindex (M): Empfindlichkeit gegenüber Temperatur

Die Hüften zeigen eine 50% höhere Viskositätsreaktion auf Scher als HDPE.

Dichteunterschiede sind auch wichtig. HDPE hat ~ 90% die feste Dichte von Polystyrol, aber nur 77% seiner Schmelzdichte. Wenn HDPE schmilzt, brechen kristalline Strukturen zusammen, was zu einer Volumenerweiterung und Reduzierung des Durchsatzes (lbs/h) führt. Um auszugleichen, müssen die Schraubkanäle für HDPE mit einstellten Kompressionsverhältnissen zu 38% tiefer sein. Die Anwendung dieses Designs auf Hüften führt jedoch zu einem schlechten Schmelzen aufgrund seines unterschiedlichen Viskositätsverhaltens.

Reibungseigenschaften bei der Fütterung und Schmelzen

Die Fütterungseffizienz hängt von Pelletform, Schüttdichte und sowohl innerer Reibung (Pellet-zu-Pellet) als auch externer Reibung (Pellet-zu-Metall-Oberflächen) ab.

Studien zeigen, dass Polystyrol einen um 50% höheren Reibungskoeffizienten gegen Stahl als HDPE aufweist, was die Fütterungsraten und die frühe Verdichtung des Feststoffbetts innerhalb des Schraubkanals verändert. Dies wirkt sich direkt auf die Schmelzeffizienz aus.

Die Herausforderung, Polymereigenschaften auszugleichen

Das Schraubendesign muss diese Unterschiede ausgleichen, und manchmal fasst eine Eigenschaft eine andere aus. Während beispielsweise HDPE und Hüften weit verbreitet sind, ist das Entwerfen einer Schraube, die beide effizient verarbeitet, äußerst schwierig. Das Ausweiten dieser Idee auf Polymere mit höheren Schmelzpunkten (wie PC) oder hygroskopischen Materialien, die eine Vordiefen erforderten, erhöhen die Herausforderung noch größer.

Jede Variation der Polymereigenschaften kann die Energieeffizienz, die Schmelzqualität und die Produktionskosten erheblich beeinflussen. Daher müssen die Schrauben auf bestimmte Polymere zugeschnitten sein, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Skalierung erfolgreicher Schraubdesigns

Sobald eine Schraube für ein bestimmtes Polymer optimiert ist, ist es nicht erforderlich, sie für jede Größe vollständig neu zu gestalten. Durch Scale-up- oder Skalen-Down-Konstruktionsverhältnisse kann die gleiche Geometrie auf andere Schraubdurchmesser angewendet werden, während die Leistung aufrechterhalten wird. Diese Methode funktioniert effektiv, außer in extremen Größenbereichen, um die Konsistenz über den Produktionsbedarf zu gewährleisten.

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