Plastic energy dissipation in the processing of thermoplastic polymers on co-rotating twin-screw extruders

Das initiale Aufschmelzen von thermoplastischen Polymeren durch plastische Energiedissipation ist nicht hinreichend verstanden und bildet noch heute eine entscheidende Wissenslücke bei der Prozessbeschreibung des gleichläufigen Doppelschneckenextruders. Es wird ein Testaufbau vorgestellt, bei dem das Fördern, die Kompression und die Deformation von Kunststoffgranulat im Querschnitt der Plastifizierzone eines Doppelschenckenextruders beobachtet und aufgezeichnet werden kann. Es wurden systematisch Untersuchungen mit unterschiedlichen Drehzahlen, Temperaturen, thermoplastischen Polymeren, Granulatgeometrien und Füllgraden durchgeführt, um deren Einfluss auf das initiale Aufschmelzen durch plastische Energiedissipation darzustellen. Die Auswertung erfolgte mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Drehmomentmessung. Dieser Aufbau machte es erstmalig möglich, Einblicke auf die signifikanten Einflussparameter des initialen Aufschmelzens durch plastische Energiedissipation von thermoplastischen Kunststoffen bei der Verarbeitung auf gleichläufigen Doppelschneckenextrudern zu erhalten. Die Untersuchungen haben ergeben, dass dem Material bei der plastischen Energiedissipation in kürzester Zeit viel Energie zugeführt wird. Dies führt zu einem lokalen Temperaturanstieg von ca. 21K in wenigen Hundertstelsekunden. Das Polymer mit seinen mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften, nimmt einen entscheidenden Einfluss auf den Energieeintrag. Die Materialmenge, die im Zwickelbereich deformiert wird, hängt vor allem von der Granulat- bzw. Extrudergröße ab. Bei steigender Drehzahl und steigendem Druck wird dem Material mehr Energie zugeführt.The initial melting of thermoplastic polymers by plastic energy dissipation is not sufficiently understood and still forms a crucial knowledge gap in the process modelling of the co-rotating twin-screw extruder. A novel test stand was developed to observe movement and deformation of thermoplastic polymers in a cross-section of the plastification zone of a co-rotating twin screw extruder. Systematic experiments to examine the initial melting processes as a function of different process and material parameters such as rotational speed, barrel and granule temperature, thermoplastic materials, granule size and filling degree were conducted. The analysis of the plastic energy dissipation was based on high-speed imaging of the plastification zone and high-speed torque measurement of the screws. Hereby it was possible to find and gain insights into significant influencing parameters of the initial melting behaviour of thermoplastics granules during processing in a co-rotating twin screw extruder. The plastic energy dissipation leads to a local temperature increase in LLDPE granules of for example 21K in 5 hundredths of a second at 600 rpm. The polymer with its mechanical and thermodynamic properties has a significant influence on the energy uptake. Also, the granule and extruder size plays a decisive role with respect to the amount of material which is deformed by the first kneading discs in the plastification zone. It could be quantitatively shown as the screw speed and the pressure increases, more energy is dissipated