Оцінювання якості розплаву при екструзії полімерів

Полімерні матеріали широко розповсюдженні, їх застосовують у всіх галузях промисловості. Експлуатаційні властивості полімерних виробів роблять їх практично незамінними у різних галузях та набули значного поширення і з кожним роком прогнозується зростання їх обсягів виробництва. Екструзія полімерів є одним з основних методів для переробки полімерних матеріалів. Однорідність розплаву є одним із основних факторів, що впливають на якість продукції і визначається рівнем змішування, тобто, перерозподілом добавок у дисперсійному середовищі при додаванні цих добавок до основного полімеру. Визначено вплив робочих умов, геометрії робочих органів та інших параметрів на температурну однорідність розплаву. Наразі уже існує багато методів визначення однорідності розплаву, які можуть використовуватися безпосередньо в процесі екструзії, або після, бути коротко або довготривалими, що власне і визначає привабливість кожного з методів. Для визначення однорідності розплаву часто використовують статистичні методи оцінювання, які були підтвердженні в багатьох експериментах і є відомими. Аналіз показав, що найбільш чутливим, з описаних ним критеріїв, є індекс змішування. Статистичні критерії оцінювання однорідності розплаву хоч і є широко поширеними, але при екструзії полімерів краще використовувати параметри, що дозволяють аналізувати стан суміші безпосередньо в процесі роботи, визначаючи ті, від яких істотно залежить процес змішування. Проаналізовано методи та критерії для перевірки якості розплаву та визначено можливість використання температурної однорідності для вимірювання та оцінювання якості розплаву безпосередньо в процесі екструзії, в такому випадку відпадає досить затратний процес відбору проб.Polymer materials are widely spread and used in all industry sectors. The operating properties of polymer products make them practically indispensable in various industries. They have acquired widespread popularity and their production volumes are predicted to grow every year. The extrusion of polymers is one of the main methods for their processing. The melt uniformity is one of the main factors that influence the quality of the products and is determined by the level of mixing, i.e., by the redistribution of additives in a dispersion medium when these additives are introduced into the main polymer. The influence of working conditions, geometry of working bodies and other parameters on the melt temperature uniformity was determined. Nowadays, there are a lot of methods for determining the melt uniformity. They can be used indirectly in or after the extrusion process and can be short or long lasting, which in fact determines the acceptability of each of the methods. To determine the melt uniformity, statistical evaluation methods, which have been verified by many experiments and are well known, are often used. The analysis showed that the mixing index is most sensitive among the criteria described. Although statistical criteria of evaluating the melt uniformity are widespread, it is better to use parameters that allow the state of the mixture to be analyzed directly in the work process for the extrusion of polymers, to identify those that depend on the mixing process. Methods and criteria for verifying the melt quality were analyzed and potential use of their temperature uniformity for measuring and evaluating the melt quality directly in the extrusion process, to eliminate the costly sampling process, was determined

Оцінювання якості розплаву при екструзії полімерів

Полімерні матеріали широко розповсюдженні, їх застосовують у всіх галузях промисловості. Експлуатаційні властивості полімерних виробів роблять їх практично незамінними у різних галузях та набули значного поширення і з кожним роком прогнозується зростання їх обсягів виробництва. Екструзія полімерів є одним з основних методів для переробки полімерних матеріалів. Однорідність розплаву є одним із основних факторів, що впливають на якість продукції і визначається рівнем змішування, тобто, перерозподілом добавок у дисперсійному середовищі при додаванні цих добавок до основного полімеру. Визначено вплив робочих умов, геометрії робочих органів та інших параметрів на температурну однорідність розплаву. Наразі уже існує багато методів визначення однорідності розплаву, які можуть використовуватися безпосередньо в процесі екструзії, або після, бути коротко або довготривалими, що власне і визначає привабливість кожного з методів. Для визначення однорідності розплаву часто використовують статистичні методи оцінювання, які були підтвердженні в багатьох експериментах і є відомими. Аналіз показав, що найбільш чутливим, з описаних ним критеріїв, є індекс змішування. Статистичні критерії оцінювання однорідності розплаву хоч і є широко поширеними, але при екструзії полімерів краще використовувати параметри, що дозволяють аналізувати стан суміші безпосередньо в процесі роботи, визначаючи ті, від яких істотно залежить процес змішування. Проаналізовано методи та критерії для перевірки якості розплаву та визначено можливість використання температурної однорідності для вимірювання та оцінювання якості розплаву безпосередньо в процесі екструзії, в такому випадку відпадає досить затратний процес відбору проб

ДослідженнЯ сИстемИ керуваннЯ процесоМ екструзіЇ полімеріВ В умоваХ діЇ збуренЬ

The analysis concerning the importance of maintaining a given temperature mode of an extruder while manufacturing polymer materials was carried out. An adaptive system of controlling the temperature mode of the extruder in a normal operating mode under conditions of disturbances of different nature was studied. The adaptive control system is based on the autoregressive-moving average model, uses the recursive least-squares method and its modifications for estimating the model parameters. The studies of the adaptive control system were carried out by introducing disturbances into the system operation. Changes of the power consumption of heat, for example, due to the dissipation of mechanical energy, were considered as the disturbances. The proposed control system of the polymer extrusion process has shown high efficiency under conditions of disturbances of different nature, confirmed by the given results of the conducted studies

Дослідження системи керування процесом екструзії полімерів в умовах дії збурень

The analysis concerning the importance of maintaining a given temperature mode of an extruder while manufacturing polymer materials was carried out. An adaptive system of controlling the temperature mode of the extruder in a normal operating mode under conditions of disturbances of different nature was studied. The adaptive control system is based on the autoregressive-moving average model, uses the recursive least-squares method and its modifications for estimating the model parameters. The studies of the adaptive control system were carried out by introducing disturbances into the system operation. Changes of the power consumption of heat, for example, due to the dissipation of mechanical energy, were considered as the disturbances. The proposed control system of the polymer extrusion process has shown high efficiency under conditions of disturbances of different nature, confirmed by the given results of the conducted studies.Проведено исследование адаптивной системы управления температурным режимом экструдера в режиме нормальной эксплуатации в условиях воздействия возмущений различной природы. Исследование адаптивной системы управления происходило путем введения возмущений в работу системы. В качестве возмущений рассматривалась изменение мощности потребления тепла. По результатам исследования показана эффективность предложенной системы управления процесса экструзии полимеров. Проведено дослідження адаптивної системи керування температурним режимом екструдера у режимі нормальної експлуатації в умовах дії збурень різної природи. Дослідження адаптивної системи керування відбувалось шляхом введення збурень у роботу системи. У якості збурень розглядалась зміна потужності споживання тепла. За результатами дослідження показана ефективність запропонованої системи керування процесу екструзії полімерів.

Дослідження системи керування процесом екструзії полімерів в умовах дії збурень

The analysis concerning the importance of maintaining a given temperature mode of an extruder while manufacturing polymer materials was carried out. An adaptive system of controlling the temperature mode of the extruder in a normal operating mode under conditions of disturbances of different nature was studied. The adaptive control system is based on the autoregressive-moving average model, uses the recursive least-squares method and its modifications for estimating the model parameters. The studies of the adaptive control system were carried out by introducing disturbances into the system operation. Changes of the power consumption of heat, for example, due to the dissipation of mechanical energy, were considered as the disturbances. The proposed control system of the polymer extrusion process has shown high efficiency under conditions of disturbances of different nature, confirmed by the given results of the conducted studies.Проведено исследование адаптивной системы управления температурным режимом экструдера в режиме нормальной эксплуатации в условиях воздействия возмущений различной природы. Исследование адаптивной системы управления происходило путем введения возмущений в работу системы. В качестве возмущений рассматривалась изменение мощности потребления тепла. По результатам исследования показана эффективность предложенной системы управления процесса экструзии полимеров. Проведено дослідження адаптивної системи керування температурним режимом екструдера у режимі нормальної експлуатації в умовах дії збурень різної природи. Дослідження адаптивної системи керування відбувалось шляхом введення збурень у роботу системи. У якості збурень розглядалась зміна потужності споживання тепла. За результатами дослідження показана ефективність запропонованої системи керування процесу екструзії полімерів.

Thermal homogeneity and energy efficiency in single screw extrusion of polymers. The use of in-process metrology to quantify the effects of process conditions, polymer rheology, screw geometry and extruder scale on melt temperature and specific energy consumption

Polymer extrusion is an energy intensive process whereby the simultaneous action of viscous shear and thermal conduction are used to convert solid polymer to a melt which can be formed into a shape. To optimise efficiency, a homogeneous melt is required with minimum consumption of process energy. In this work, in-process monitoring techniques have been used to characterise the thermal dynamics of the single screw extrusion process with real-time quantification of energy consumption. Thermocouple grid sensors were used to measure radial melt temperatures across the melt flow at the entrance to the extruder die. Moreover, an infrared sensor flush mounted at the end of the extruder barrel was used to measure non-invasive melt temperature profiles across the width of the screw channel in the metering section of the extruder screw. Both techniques were found to provide useful information concerning the thermal dynamics of the extrusion process; in particular this application of infrared thermometry could prove useful for industrial extrusion process monitoring applications. Extruder screw geometry and extrusion variables should ideally be tailored to suit the properties of individual polymers but in practise this is rarely achieved due the lack of understanding. Here, LDPE, LLDPE, three grades of HDPE, PS, PP and PET were extruded using three geometries of extruder screws at several set temperatures and screw rotation speeds. Extrusion data showed that polymer rheology had a significant effect on the thermal efficiency on the extrusion process. In particular, melt viscosity was found to have a significant effect on specific energy consumption and thermal homogeneity of the melt. Extruder screw geometry, set extrusion temperature and screw rotation speed were also found to have a direct effect on energy consumption and melt consistency. Single flighted extruder screws exhibited poorer temperature homogeneity and larger fluctuations than a barrier flighted screw with a spiral mixer. These results highlighted the importance of careful selection of processing conditions and extruder screw geometry on melt homogeneity and process efficiency. Extruder scale was found to have a significant influence on thermal characteristics due to changes in surface area of the screw, barrel and heaters which consequently affect the effectiveness of the melting process and extrusion process energy demand. In this thesis, the thermal and energy characteristics of two single screw extruders were compared to examine the effect of extruder scale and processing conditions on measured melt temperature and energy consumption. Extrusion thermal dynamics were shown to be highly dependent upon extruder scale whilst specific energy consumption compared more favourably, enabling prediction of a process window from lab to industrial scale within which energy efficiency can be optimised. Overall, this detailed experimental study has helped to improve understanding of the single screw extrusion process, in terms of thermal stability and energy consumption. It is hoped that the findings will allow those working in this field to make more informed decisions regarding set conditions, screw geometry and extruder scale, in order to improve the efficiency of the extrusion process.Engineering and Physical Sciences Research Counci