Jürgen Miethlinger

An optical system for measuring the residence time distribution in co-rotating twin-screw extruders

Abstract Expanding the general knowledge of the extrusion process in a co-rotating twin-screw extruder requires several parameters to be determined, among them the residence time distribution (RTD). This contribution introduces an optical measurement setup for acquiring the residence time density and distribution function. Based on our measurement results, we derive the influence of the rotational speed of the screws, mass flow rate and of different types of screw configurations on residence time.

Methoden zur in-line Untersuchung des Einflusses der Molmasse und Vorgeschichte von wandgleitenden Kunststoffschmelzen auf deren Strömungsprofil

Zusammenfassung Wandgleiten ist ein rheologisches Phänomen, das beim Fließen einiger Kunststoffschmelzen auftreten kann. Bei der Extrusionsrheologie wird das Wandgleiten grundsätzlich in einer dem Extruder nachgeschalteten Düse untersucht. Im gegebenen Fall wird Polylactidacid (PLA) auf einem gleichlaufenden Doppelschneckenextruder verarbeitet, wobei der Einfluss von Feuchtigkeit, die Zugabe von Kettenverlängerer und die Variation verfahrenstechnischer Parameter auf das Wandgleiten untersucht werden. PLA verhält sich hydrophil, das heißt es nimmt Luftfeuchtigkeit auf. Wird es vor der Verarbeitung nicht getrocknet, reagieren Wassermoleküle während der erhöhten Verarbeitungstemperatur mit dem Polymer, ein Polymerabbau ist die Folge. Kettenverlängerer sind Additive, welche in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt werden können, um das Molekulargewicht der Polymere anzuheben. Da Parameter wie Schneckendrehzahl, Schneckengeometrie und Feuchtigkeit die Molmasse und -verteilung des Extrudats beeinflussen, wird diese anschließend mittels Gelpermeationschromatografie (GPC) bestimmt, um so eine Aussage über den Zusammenhang von Wandgleiten und Molmasse zu erhalten. Für die Messung des Wandgleitens kommt hier Pulsed-Wave-Sonografie zum Einsatz. Dabei handelt sich dabei um eine bildgebende Messung mittels Ultraschall, welche es ermöglicht, das Strömungsprofil der Schmelze innerhalb einer hierfür entwickelten Düse zu messen. Diese kann inline, während der Extrusion, erfolgen und ist damit sehr viel schneller und praktischer umzusetzen als die klassische Extrusionsrheologie. Zusätzlich wird eine Verweilzeitbestimmung mittels Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt.

Determining the residence time distribution of various screw elements in a co-rotating twin-screw extruder by means of fluorescence spectroscopy

The Residence Time Distribution (RTD) is key to optimizing the mixing ability of an extruder. For both sensitive and reactive materials, it is important to know how long particles remain in the barrel and how long the polymer remains, for instance, in a kneading element. To assess the influence of different screw configurations on the RTD, a low-concentration tracer particle was injected into the feeding section and measured inline by fluorescence spectroscopy1 both inside the barrel and at the extruder exit. The measurements were conducted using polypropylene with different amounts of organic peroxide. Measuring the residence time at various positions along the screw allows the RTD to be determined for just one screw element. Furthermore, we show the influence of different screw configurations on the polydispersity of polypropylene.

Ultraschall-Messung von Strömungsprofilen in opaker Polymerschmelze während der Extrusion

Zusammenfassung Bei der Extrusion von Polymeren ist das Strömungsprofil der Polymerschmelze von Interesse. Mit dem Ultraschall-Pulsed-Wave-Verfahren können Strömungsprofile auch in optisch opaken Medien gemessen werden. Dieser Beitrag beschreibt einen neu entwickelten Messeinsatz, der in eine beheizte Kapillardüse integriert werden kann. Er koppelt den Ultraschall-Transducer akustisch an die zu messende Flüssigkeit, während er für Schutz (vor hohen Temperaturen und Drücken in der Schmelze) sorgt. Die gezeigten Messergebnisse wurden in-line während der Extrusion von Polypropylen gewonnen.

A Network-Theory-Based Comparative Study of Melt-Conveying Models in Single-Screw Extrusion: A. Isothermal Flow

In many extrusion processes, the metering section is the rate-controlling part of the screw. In this functional zone, the polymer melt is pressurized and readied to be pumped through the die. We have recently proposed a set of heuristic models for predicting the flow behavior of power-law fluids in two- and three-dimensional metering channels. These novel theories remove the need for numerical simulations and can be implemented easily in practice. Here we present a comparative study designed to validate these new methods against experimental data. Extensive experiments were performed on a well-instrumented laboratory single-screw extruder, using various materials, screw designs, and processing conditions. A network-theory-based simulation routine was written in MATLAB to replicate the flow in the metering zones in silico. The predictions of the three-dimensional heuristic melt-conveying model for the axial pressure profile along the screw are in excellent agreement with the experimental extrusion data. To demonstrate the usefulness of the novel melt-flow theories, we additionally compared the models to a modified Newtonian pumping model known from the literature.

Modeling and optimization of melt filtration systems in polymer recycling

This paper addresses the performance improvement of a double-cavity piston screen changer used for processing slightly contaminated in-house recycling material. Rheological optimization of the flow geometry based on analytical calculations and numerical CFD simulations in order to increase its self-cleaning capacity, decrease the residence time of the melt in the filter and reduce pressure drops, thus enabling gentle processing of a variety of thermoplastic polymers. Various analytical calculations of the overall pressure drop were performed and experimentally verified for a range of in-house recycling materials, throughputs and filter screen types.

Elongational rheology of glass-fiber and natural-fiber-reinforced polypropylenes with a novel online rheometer

The aim of the present work was to study the influence of fiber content and fiber length distribution on the shear and elongational viscosity of polypropylene compounds measured with a novel online rheometer. The recently developed device consists of two slit sections and a hyperbolic contraction part in between, which allows for continuous monitoring of both shear and elongational viscosity during an extrusion process. Due to the favorable design of the hyperbolic contraction, pressure transducers can be incorporated directly into the flow channel, which prevents material accumulation in pressure holes. A polypropylene homopolymer intended for thermoformed packaging applications was compounded with different fiber content of either glass or cellulose fibers. While the measured shear viscosity only changed slightly, the elongational viscosity was found to be sensitive to the fiber content. Furthermore, the variation of fiber length distribution in a glass-fiber reinforced polypropylene random copolymer, i...

Modeling devolatilization in single- and multi-screw extruders

In the manufacturing process of most polymerization products, some undesirable volatile components such as unreacted monomers, water or other impurities remain in the polymer matrix. For both environmental and technological reasons, these low-molecularweight components are usually separated from the bulk polymer in a post-reactor operation known as devolatilization. Employing vented singleand multi-screw extruders in particular provides a competitive solution, as they are able to devolatilize polymers with viscosities ranging across several orders of magnitude.

In-Line Ultraschall-Messung von Strömungsprofilen wandgleitender Kunststoffe während der Extrusion

Zusammenfassung Zur Modellierung des Strömungsverhaltens von Kunststoffschmelzen und zur Auslegung des verwendeten Extrusionswerkzeugs muss das Strömungsprofil des Polymers unter Prozessbedingungen bekannt sein. Von besonderem Interesse dabei ist, ob sogenanntes Wandgleiten auftritt oder nicht. Mit Hilfe der Pulsed-Wave Sonografie kann das Strömungsprofil in transparenten und opaken Flüssigkeiten gemessen werden. Dieser Beitrag zeigt, wie damit unter Verwendung eines Clamp-In Waveguides, der in das Extrusionswerkzeug integriert wurde, Strömungsprofile in-line während der Extrusion gemessen werden können. Messergebnisse, die bei der Extrusion von wandgleitenden Polylactiden (PLA) bei unterschiedlichen Kanaltiefen erhalten wurden, werden gezeigt.

Acoustic sensor for in-line monitoring in polymer extrusion dies

We present a pressure-wave-based acoustic sensor device for inline monitoring of polymer flow behavior. The device is made to be integrated in a slit capillary of an in-line-extrusion-rheometer, but could be implemented in any die used for extrusion. It was manufactured to withstand the high pressures involved in the extrusion process by employing a boundary reflection based acoustic measurement to determine the viscosity of the polymer. A high temperature graded PZT disc transducer was used and the whole system was designed to measure viscosities at the temperatures of the extruder without the need for external cooling of the PZT element.