Άσκηση 5: Μορφοποίηση και μελέτη λειτουργικών ιδιοτήτων εύκαμπτων πολυμερικών μεμβρανών (φιλμ) Πετρούλα Ταραντίλη, taran@chemeng.ntua.gr Χριστίνα Γκουντέλα, christina.gkountela@gmail.com
ΕΚΒΟΛΗ (EXTRUSION) Τεχνική ανάμειξης πολυμερών ή πολυμερούς προσθέτων Τεχνική μορφοποίησης Τεχνική για μορφοποίηση αντικειμένων με ομοιόμορφη διατομή, με αλλαγή της μήτρας μπορούν να μορφοποιηθούν προϊόντα με διαφορετικές γεωμετρίες
t = D s : κοχλίας τετράγωνου βήματος δ αμελητέο D s = D b = D φ = 17.66 ο
Κυλινδρικό σώμα Η εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου αποτελεί το χώρο για: Μετάδοση θερμότητας Ανάπτυξη διατμητικών τάσεων
Χαρακτηριστικά μέγεθη: L/D 16/1 μέχρι 32/1 για θερμοπλαστικά 4/1 μέχρι 7/1 για ελαστομερή Λόγος συμπίεσης = 1.1:1 μέχρι 5:1, τυπική τιμή 2.25:1 Βάθος αύλακας στη ζώνη τροφοδoσίας Βάθος αύλακος στη ζώνη δοσιμετρίας
Ζώνη τροφοδοσίας (feed section) Ταχύτερη μεταφορά κόκκων προς την έξοδο: - Μικρότερη τριβή μεταξύ κοχλία και κόκκων - Μεγαλύτερη τριβή μεταξύ κόκκων και κυλίνδρου
Μηχανισμός τήξης κατά την εκβολή Ι. Θεωρητικό μοντέλο τήξης κλίνης στερεών σωματιδίων Σχηματισμός λεπτού υμένα από τήγμα στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Ο κοχλίας «σκουπίζει» το υμένιο προς τον άξονα του κοχλία και ξανά προς τον κύλινδρο. Με την περιστροφή του κοχλία συμπαρασύρεται και νέο τήγμα Δημιουργείται δεξαμενή τήγματος μέσα στην οποία συμπαρασύρονται και στερεοί κόκκοι.
Ποσοτική ανάλυση της ροής σε μονοκόχλιο εκβολέα Εξίσωση ροής Παραγωγικότητα διεργασίας Ανάλυση στη ζώνη δοσιμετρίας όπου βρίσκεται σε ισοθερμοκρασιακή κατάσταση. Σταθερό ιξώδες μ. Η ροή λαμβάνει χώρα σε μία αβαθή αύλακα.
Ποσοτική ανάλυση της ροής σε μονοκόχλιο εκβολέα Η ροή αποτελείται από δύο συνιστώσες: Τη ροή λόγω της κίνησης της μια επιφάνειας, ροή λόγω οπισθέλκουσας (drag flow) Αντιτιθέμενη ροή λόγω της διαφοράς πίεσης που αναπτύσσεται στον εκβολέα (pressure flow), λόγω της προσαρμογής της μήτρας μορφοποίησης στην έξοδο του εκβολέα
Παροχή στον εκβολέα: Ροή λόγω οπισθέλκουσας: Λόγω της κίνησης του ενός τοιχώματος Q = 1 2 UHW Ροή στον εκοβλέα συνδυασμός: ροή οπισθέλκουσας και ροή πίεσης W Q = 12 µ L 3 Η Ρ
Q = Q Q d p Q 3 1 H W P = UzHW sin 2 12µ L φ I. Δεν αναπτύσσεται πίεση στο άκρο του εκβολέα (ΔΡ = 0) Q max = Q d = π 2 D 2 NHsin 2 φcosφ IΙ. Η πίεση είναι αρκετά μεγάλη ώστε να εμποδίζει την εξώθηση του ρευστού (Q = 0), μπορούμε να ισορροπήσουμε την Q d και Q p. Ρ max = 6πDLNµ 2 H tan φ
Παραγωγή φυσητού φιλμ Ι. Ψύξη με αέρα
Μήτρες εκβολής 1. Μήτρα τύπου «αράχνης»: δακτύλιο υποστήριξης με ακτινικά στοιχεία που συνδέουν σταθερά τον άξονα με το σώμα της μήτρας 2. Μήτρα με πλευρική τροφοδοσία 3. Μήτρες εκβολής τύπου σπείρας
Παράμετροι της παραγωγής φυσητού φιλμ 1. Ύψος γραμμής ψύξης (Frost Line Height, FLH) Αύξηση της FLH Μείωση του ρυθμού ψύξης του φιλμ 2. Λόγος εμφύσησης (Blow-up Ratio, BUR) BUR=D bubble /D die Τυπικές τιμές: 1 μέχρι 4 3. Ταχύτητα γραμμής Καθορίζει το λόγο τανυσμού (Draw-down ratio, DDR), DDR=U 1 /U 0 Τυπικές τιμές: 10 μέχρι 40 4. Μείωση του πάχους Τ r = h 0 /h f : ο λόγος του ανοίγματος της δακτυλικής μήτρας εκβολής προς το πάχος του σωλήνα στη γραμμή ψύξης Τυπικές τιμές μεταξύ 20 και 200).
Συνεκβολή
Επίδραση της διαδικασίας μορφοποίησης στις ιδιότητες του φιλμ Ρυθμός ψύξης κρυσταλλικότητα Ποιες ιδιότητες του φιλμ επηρεάζονται? Ακτινικός και αξονικός τανυσμός Μοριακός προσανατολισμός
Διαπερατότητα πολυμερών σε αέρια και υδρατμούς Μηχανισμός της ενεργοποιημένης διάχυσης ή διάλυσης-διάχυσης αερίων ή ατμών σε μη πορώδη πολυμερή: τα αέρια και οι ατμοί διαλύονται στο πολυμερές στη μια επιφάνεια, διαχέονται μέσω των μορίων του πολυμερούς λόγω διαφοράς συγκέντρωσης και επανεξατμίζονται στην άλλη πλευρά του πολυμερούς. P = ΡΜΥ ΡΜΥ L p = 1 A = dq dt ΡΜΥ L 100 [( RH) ( ) ] 1 p 2 Sw 1 RH Μονάδες συντελεστή διαπερατότητας οι μονάδες του Ρ είναι: P= (ποσότητα αερίου) x (πάχος φύλλου) x (επιφάνεια) -1 x (χρόνος) -1 x (διαφορά μερικών πιέσεων) -1 2
Μελέτη διαπερατότητας σε υδρατμούς Να υπολογισθεί ο συντελεστή διαπερατότητας σε υγρασία μεμβράνης πολυπροπυλενίου για τα ακόλουθα δεδομένα: Μετρήσεις διαπερατότητας σε υδρατμούς μεμβράνης BOPP (διαξονικά προσανατολισμένο πολυπροπυλένιο), στους 45 o C Πάχος μεμβράνης: 30 μm Διάμετρος εκτεθειμένης επιφάνειας μεμβράνης BOPP: 6 cm Χρόνος ΔΕΙΓΜΑ Α (g) ΔΕΙΓΜΑ Β (g) ΔΕΙΓΜΑ Γ (g) 10:18 55.1414 52.0207 55.2933 11:00 55.1511 52.0241 55.2904 11:45 55.1417 52.0215 55.2960 12:40 55.1536 52.0265 55.3070 13:30 55.1661 52.0324 55.3174 Παραγωγή φιλμ με φύσημα και ψύξη 14:20 με λουτρό 55.1791 νερού. 52.0340 55.3241 (1) μήτρα, (2) δακτύλιος ψύξης, (3) 15:40 σταθεροποίηση 55.1999 με τροφοδοσία 52.0380 νερού, 55.3343 (4) διαμόρφωση σταθερής διαμέτρου, (5) επιφανειακή κατεργασία με κορόνα, (6) συλλογή
Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαπερατότητα πολυμερικών υλικών συσκευασίας Πολικότητα Κρυσταλλικότητα Προσανατολισμός Θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Τ g ) του πολυμερούς Χρήση προσθέτων (π.χ. πλαστικοποιητών) Παράγοντες που επηρεάζουν το συντελεστή διάχυσης Θερμοκρασία Πίεση Φύση υλικού Φύση εξεταζόμενου αερίου (Ο2, CO 2, υδρατμοί, N 2 )
Τροποποίηση διαπερατότητας σε πλαστικές συσκευασίες Σύνθετες δομές με συνεκβολή (χρήση υλικών φραγμού: συμπολυμερές αιθυλενίου και βινυλικής αλκόολης (EVOH), το συμπολυμερές βινυλιδενοχλωριδίου-βινυλοχλωριδίου, (PVDC)] Lamination Επιμετάλλωση πολυμερικών μεμβρανών Επικάλυψη με πολυμερές με ιδιότητες φραγμού Πολυμερικά νανοσύνθετα Μίγματα πολυμερούς με υλικά φραγμού
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΦΙΛΜ ΑΠΟ ΜΗΤΡΑ ΜΕ ΕΠΙΠΕΔΗ ΣΧΙΣΜΗ Λεπτό φιλμ : πάχος 10-50μm Φύλλο : πάχος 100-400μm Φύλλο για θερμομόρφωση : πάχος 200-2500μm
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΦΙΛΜ ΜΕ ΚΥΛΙΝΔΡΩΣΗ Πρότυπο κυλίνδρωσης με 4 κυλίνδρους, μεταξύ Α και Β γίνεται η τροφοδοσία, μεταξύ Β και Γ η δοσιμετρία, μεταξύ Γ και Δ η μορφοποίηση.