Verstehen der Ursprünge von Instabilitäten bei der Verarbeitung von Polymeren
Polymere nehmen im alltäglichen Leben eine überaus wichtige und universelle Rolle ein. Die moderne Gesellschaft ohne Polymere ist nicht vorstellbar, was angesichts der Tatsache, dass sie in dieser Form erst seit einigen Jahrzehnten existieren, recht bemerkenswert ist. Irregularitäten oder Defekte, die häufig auf der Oberfläche von Erzeugnissen aus Polymeren als Ergebnis von Instabilitäten in der Schmelze auftreten, machen diese aus kommerzieller Sicht allerdings unbrauchbar. Bei den hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Polymere verarbeitet werden, äußern sich Instabilitäten während der Extrusion geschmolzener Polymere entweder in Form von kleinen periodischen Unregelmäßigkeiten oder größeren Defekten. Um den Produktionsausstoß zu erhöhen, müssen Instabilitäten in der Schmelze entweder eliminiert oder bei höheren Prozessgeschwindigkeiten verhindert werden. Genau dies war das Ziel des 3PI-Forschungsprojekts, das während des Fünften Rahmenprogramms gefördert wurde. Die Partner des 3PI-Projekts haben unter Anwendung speziell angefertigter Extruder und unterschiedlicher Düsengeometrien aufwändige und umfangreiche Experimente durchgeführt. Die Ergebnisse mehrerer Forschungseinrichtungen wurden dann zusammengetragen, um Verbindungen zwischen dem Auftreten von Instabilitäten der Schmelze, den Prozessbedingungen und den rheologischen Eigenschaften der untersuchten polymeren Materialien zu identifizieren. Um elastische Oberflächeninstabilitäten zu charakterisieren, wurden beispielsweise Spannungen innerhalb der Polymerschmelze während der Extrusion unter Einsatz des Verfahrens der strömungsinduzierten Doppelbrechung beobachtet. Die gesammelten Daten zum Spannungsverlauf wurden zur Entwicklung einer Verfahrensübersicht herangezogen, mit welcher gezeigt werden konnte, wie durch eine Modifizierung der Fließeigenschaften eines polymeren Fluids in der Nähe des Düsenschlitzes eine Verhinderung des Sharkskin-Effekts möglich ist. Darüber hinaus wurde die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) zur Erstellung des Geschwindigkeitsprofils komplexer polymerer Fluide, die einer Scherströmung unterliegen, verwendet. Bei Schergeschwindigkeiten, die oberhalb des Bereichs liegen, in dem es zum Sharkskin-Effekt kommt, führten Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen zu Extrudaten, die durch abwechselnde raue und relativ glatte Abschnitte gekennzeichnet sind. Der periodische Übergang zwischen unterschiedlich starkem Gleiten in den Kapillaren wurde als Ursache für diesen sogenannten Stick-Slip-Effekt angenommen. Die 3PI-Projektpartner hoffen, dass diese experimentellen Ergebnisse über die Mechanismen, die den Defekten zugrunde liegen, nach und nach in numerische Modelle einfließen, die zur Optimierung der Verarbeitungsverfahren von Polymeren eingesetzt werden.
