• Nie Znaleziono Wyników

Study on the flow of wood-plastic composites in the single-screw extrusion process

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Study on the flow of wood-plastic composites in the single-screw extrusion process"

Copied!
7
0
0

Pełen tekst

(1)

Badanie przep³ywu kompozytów polimerowo-drzewnych

w procesie wyt³aczania jednoœlimakowego

Krzysztof Wilczyñski

1),*)

, Kamila Buziak

1)

, Marta Bartnik

1) DOI:dx.doi.org/10.14314/polimery.2016.195

Streszczenie: Zbadano doœwiadczalnie przep³yw kompozytu polimerowo-drzewnego o zawartoœci 70 % mas. m¹czki drzewnej w procesie wyt³aczania jednoœlimakowego, w ró¿nych warunkach technolo-gicznych przetwórstwa. Przebieg uplastyczniania i przep³ywu tworzywa oceniono na podstawie tzw. zimnego eksperymentu wyt³aczania, z zastosowaniem techniki wyci¹gania œlimaka. Na podstawie wy-ników badañ zaproponowano mechanizm uplastyczniania jednokierunkowego. Stwierdzono, ¿e mode-lowanie procesu wyt³aczania kompozytów polimerowo-drzewnych wymaga odmiennego podejœcia ni¿ modelowanie wyt³aczania tworzyw termoplastycznych.

S³owa kluczowe: wyt³aczanie jednoœlimakowe, kompozyty polimerowo-drzewne, mechanizm uplas-tyczniania.

Study on the flow of wood-plastic composites in the single-screw extrusion

process

Abstract: Experimental studies have been done on the flow of wood-polypropylene composite with 70 wt % wood flour loading under various processing conditions of single-screw extrusion. The plastici-zation and flow of the polymer were evaluated on the basis of so-called cold extrusion experiment using „Screw Pulling-out Technique”. It was stated that the flow of wood-plastic composites is essentially diffe-rent from the flow of thermoplastics. The flow is accompanied by slipping at the barrel walls, screw and die surfaces, also it shows a yield stress. Melting of the composite with high wood-flour content does not proceed according to the well known Tadmor model. Based on the results of the investigations, one-di-mensional model of melting has been proposed. It was stated that the modeling of wood-plastic compo-site extrusion process requires a different approach then that used to model the extrusion of thermoplas-tic polymers.

Keywords: single-screw extrusion, wood-plastic composites, melting mechanism. W zwi¹zku z dynamicznym rozwojem in¿ynierii

ma-teria³owej i wytwarzaniem nowych, zaawansowanych materia³ów polimerowych, takich jak: mieszaniny poli-merów czy kompozyty polimerowe, pojawia siê potrzeba podjêcia badañ w zakresie modelowania procesów prze-twórczych takich materia³ów. Przetwórstwo zaawanso-wanych materia³ów polimerowych jest zasadniczo od-mienne od przetwórstwa tworzyw tradycyjnych. Ró¿ne te¿ jest modelowanie, gdy¿ wymaga uwzglêdnienia od-miennoœci zjawisk fizycznych zachodz¹cych podczas procesów przetwórczych, obejmuj¹cych np. mechanizm transportu i uplastyczniania materia³u, charakterystykê reologiczn¹ tworzywa (wystêpowanie granicy p³yniêcia, poœlizgu itp.) czy kszta³towanie siê struktury materia³u. Dotychczas na œwiecie nie prowadzono takich badañ mo-delowych w odniesieniu do zaawansowanych materia-³ów polimerowych.

Niniejsza praca dotyczy przetwórstwa, a dok³adniej wyt³aczania jednego z wa¿niejszych rodzajów materia-³ów kompozytowych — polimerowych kompozytów drzewnych.

Polimerowe kompozyty drzewne (ang. WPC, Wood

Plastic Composites) pojawi³y siê na rynku materia³ów poli-merowych w latach dziewiêædziesi¹tych. Obecnie znaj-duj¹ one szerokie zastosowanie w gospodarce, np. w bu-downictwie, gdzie zastêpuj¹ drewno. G³ówn¹ zalet¹ po-limerowych kompozytów drzewnych, w porównaniu z w³aœciwoœciami drewna, jest ich odpornoœæ na dzia³anie warunków atmosferycznych, zw³aszcza wilgoci. Podsta-wowe znaczenie maj¹ kompozyty na osnowie polipropy-lenu (PP), polietypolipropy-lenu du¿ej gêstoœci (PE-HD) i po-li(chlorku winylu) (PVC) [1—4].

Obecnie podstawow¹ technologi¹ przetwórstwa poli-merowych kompozytów drzewnych, szeroko stosowa-nych w gospodarce w postaci wyrobów profilowych, jest wyt³aczanie. Mo¿e byæ ono realizowane w wyt³aczar-kach jednoœlimakowych lub dwuœlimakowych o ró¿nej konfiguracji geometrycznej œlimaków i g³owic. Stan wie-1)Politechnika Warszawska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji, Instytut

Technik Wytwarzania, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa. *)Autor do korespondencji; e-mail: k.wilczynski@wip.pw.pl

(2)

dzy dotycz¹cej procesu wyt³aczania jest bardzo zró¿nico-wany, zale¿nie od metody wyt³aczania, typu konfiguracji geometrycznej uk³adów œlimakowych i g³owic, a tak¿e rodzaju przetwarzanego tworzywa.

Proces wyt³aczania kompozytów polimerowo-drzew-nych ró¿ni siê zasadniczo od procesu wyt³aczania kla-sycznych materia³ów polimerowych. Wynika to m.in. z odmiennych w³aœciwoœci reologicznych tych wysoce nape³nionych materia³ów i niestabilnej charakterystyki cieplnej drewna.

Reologia i przetwórstwo polimerowych kompozytów drzewnych s¹ jak dot¹d stosunkowo s³abo poznane. Mo¿na tu wskazaæ jedynie podstawowe i przegl¹dowe prace Li i Wolcotta [5—7], Xiao i Tzoganakisa [8—10], Vlachopoulosa i Hristova [12—14], Zolfaghariego [15] i Oksmana [3].

Polimerowe kompozyty drzewne s¹ materia³ami nie-newtonowskimi, pseudoplastycznymi. Ich lepkoœæ zmniej-sza siê ze wzrostem szybkoœci œcinania i temperatury. W³aœciwoœci reologiczne WPC zale¿¹ od sk³adu kompozy-tu. Wed³ug dostêpnych doniesieñ literaturowych, wraz ze wzrostem stopnia nape³nienia drewnem zwiêksza siê ich lepkoœæ w stanie uplastycznionym, natomiast sprê¿ystoœæ w stanie uplastycznionym siê zmniejsza.

Kompozyty WPC wykazuj¹ granicê p³yniêcia pod-czas przep³ywu oraz poœlizg na œciankach kana³u prze-p³ywu [5, 8, 12]. Wystêpowanie poœlizgu ma podstawo-we znaczenie dla charakteru przep³ywu tych materia³ów. W celu wyznaczenia prêdkoœci poœlizgu mo¿na w tym przypadku zastosowaæ analizê Mooneya [16]. Wyniki ba-dañ wskazuj¹, ¿e prêdkoœæ poœlizgu zale¿y od zawartoœci nape³niacza, czyli m¹czki drzewnej, oraz od szybkoœci œcinania. Ze wzrostem szybkoœci œcinania prêdkoœæ po-œlizgu siê zwiêksza, co prowadzi do przep³ywu t³okowe-go [12]. Zwiêkszenie zawartoœci m¹czki drzewnej rów-nie¿ sprzyja wystêpowaniu przep³ywu t³okowego [15].

W przypadku polimerowych kompozytów drzew-nych wystêpuje charakterystyczne zjawisko „rozdziera-nia powierzchni” zewnêtrznej materia³u (ang. surface

tea-ring) i jej zniekszta³canie przy wyp³ywie z g³owicy wy³ta-czarskiej, nawet w warunkach ma³ej szybkoœci œcinania. W praktyce przemys³owej te niekorzystne zjawiska s¹ eliminowane w wyniku ch³odzenia g³owicy wyt³aczar-skiej, dziêki czemu jest mo¿liwe uzyskanie g³adkiej po-wierzchni kompozytowych wyrobów profilowych. Zja-wisko „rozdzierania powierzchni” mo¿e zanikaæ w wa-runkach wiêkszych szybkoœci œcinania i wiêkszej zawar-toœci nape³niacza drzewnego [12, 14].

Poprawne projektowanie procesu wyt³aczania kom-pozytów polimerowo-drzewnych wymaga znajomoœci mechanizmu ich przep³ywu. Znane teorie wyt³aczania nie daj¹ podstaw do takiego projektowania i nie umo¿li-wiaj¹ przewidywania przebiegu procesu przetwórczego, np. uplastyczniania materia³u czy rozk³adu ciœnienia i temperatury w wyt³aczarce [9, 11].

Liczba pozycji literaturowych z zakresu przep³ywu polimerowych kompozytów drzewnych w procesie

wyt³aczania jest niewielka. Pojedyncze prace Xiao i Tzo-ganakisa [9, 11] dotycz¹ wyt³aczania kompozytu o osno-wie z polietylenu du¿ej gêstoœci i zawartoœci 50 % mas. m¹czki drzewnej. Autorzy zaobserwowali m.in. nierów-nomierne wype³nienie kana³u œlimaka wyt³aczarki oraz nieznaczn¹ segregacjê sk³adowych kompozytu — poli-meru i m¹czki drzewnej. W pobli¿u biernej czêœci kana³u pojawia³ siê g³ównie polietylen, natomiast m¹czka drzewna wystêpowa³a przede wszystkim przy aktywnej czêœci kana³u. Nie wyjaœniono jednak zaobserwowanych zjawisk, nie podjêto równie¿ próby modelowania takiego przep³ywu.

Modelowaniu procesów œlimakowych przetwórstwa materia³ów polimerowych (wyt³aczania i wtryskiwania), w tym tak¿e materia³ów zaawansowanych, takich jak mieszaniny polimerów i kompozyty polimerowe po-œwiêcono ostatnio prace [17, 18].

CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA Materia³y i program badañ

Prowadzone prace dotyczy³y wyt³aczania jednoœli-makowego polimerowego kompozytu drzewnego na os-nowie polipropylenu z udzia³em 70 % mas. m¹czki drzewnej, w ró¿nych warunkach przetwórstwa. Badania obejmowa³y mechanizm przep³ywu i uplastyczniania przetwarzanego materia³u oraz podstawowe parametry procesu wyt³aczania — ciœnienie i natê¿enie przep³ywu tworzywa oraz pobór mocy i pr¹du.

W badaniach wykorzystano tworzywo Lignocel® N (firmy J. Rettenmaier & Söhne), suszone przed procesem wyt³aczania w temp. 90 °C przez 4 h.

Charakterystykê cieplno-mechaniczn¹ przedstawia tabela 1.

T a b e l a 1. Charakterystyka badanego kompozytu WPC T a b l e 1. Characteristics of the investigated wood-plastic com-posite

W³aœciwoœæ Wartoœæ

Gêstoœæ, g/cm3 1,21

Gêstoœæ nasypowa, g/cm3 0,36—0,48

Zawartoœæ w³ókien drewna, % 70 D³ugoœæ w³ókien drewna, mm 0,8—1,1 Wytrzyma³oœæ na zginanie, N/mm2 85

Modu³ sprê¿ystoœci przy zginaniu, N/mm2 8000

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, N/mm2 40

Modu³ sprê¿ystoœci wzd³u¿nej, N/mm2 6300

Udarnoœæ metod¹ Charpy’ego, kJ/m2 10

Ch³onnoœæ wody (po 1 dobie), % 1,2 Ch³onnoœæ wody (po 10 dobach), % 8,1

Badania prowadzono na specjalistycznym stanowis-ku badawczym, którego podstawê stanowi³a wyt³aczar-ka jednoœlimakowa Metalchem T-45, w trybie

(3)

klasyczne-go zasilania grawitacyjneklasyczne-go, tzn. bez dozowania tworzy-wa. Zastosowano klasyczny œlimak trójstrefowy (rys. 1) oraz g³owicê prost¹ do wyt³aczania prêtów o przekroju ko³owym.

Zastosowano trzy ró¿ne wartoœci prêdkoœci obrotowej œlimaka: N = 20 obr/min, N = 50 obr/min i N = 80 obr/min.

Ustalono nastêpuj¹ce wartoœci temperatury cylindra i g³owicy w kolejnych strefach wyt³aczarki: TI= 160 °C,

TII= 180 °C, TIII= 190 °C, TIV= 190 °C, TG= 180 °C.

Mechanizm przep³ywu i uplastyczniania tworzywa oceniano w tzw. zimnym eksperymencie wyt³aczania, z zastosowaniem techniki wyci¹gania œlimaka, na pod-stawie obserwacji próbek tworzywa zdjêtych ze œlimaka wyt³aczarki, po jej zatrzymaniu i gwa³townym och³odze-niu (ang. Screw Pulling-out Technique).

Technika ta obejmuje nastêpuj¹ce czynnoœci:

— uruchomienie wyt³aczarki i zainicjowanie procesu wyt³aczania,

— wyt³aczanie tworzywa do chwili osi¹gniêcia wa-runków przep³ywu ustalonego,

— zatrzymanie wyt³aczarki i wy³¹czenie urz¹dzeñ nagrzewaj¹cych,

— intensywne ch³odzenie uk³adu uplastyczniaj¹cego do temperatury nieco ni¿szej ni¿ temperatura topnienia tworzywa, maj¹ce na celu utrwalenie (zamro¿enie) struk-tury materia³u,

— podgrzanie uk³adu uplastyczniaj¹cego do tempe-ratury nieco wy¿szej ni¿ temperatura topnienia tworzy-wa, umo¿liwiaj¹ce wyjêcie œlimaka z wyt³aczarki,

— wyjêcie œlimaka z wyt³aczarki,

— zdjêcie spiralnej próbki tworzywa ze œlimaka i jej ocenê.

WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE

Rysunek 2 przedstawia wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na natê¿enie przep³ywu przetwarzanego mate-ria³u (wydajnoœæ wyt³aczania) i ciœnienie w g³owicy wy-t³aczarskiej, a rys. 3 — wp³yw prêdkoœci obrotowej œlima-ka na pobór pr¹du i mocy na stanowisku badawczym. Rysunek 4 ilustruje rozk³ad ciœnienia wzd³u¿ d³ugoœci cylindra wyt³aczarki. Zwiêkszenie prêdkoœci obrotowej œlimaka powoduje wzrost natê¿enia przep³ywu i ciœnie-nia tworzywa, zwiêksza siê te¿ zu¿ycie pr¹du i mocy. Te obserwacje s¹ dosyæ oczywiste, ale warto zwróciæ uwagê, ¿e zmiana nie jest liniowa i wyraŸnie s³abnie w zakresie

wiêkszych wartoœci prêdkoœci obrotowej. Mo¿e to mieæ zwi¹zek ze zmian¹ charakteru przep³ywu materia³u, tzn. z tendencj¹ do poœlizgu i kszta³towania siê przep³ywu 45 488 320 1218 f2 9 f3 9 f4 5

Rys. 1. Schemat œlimaka klasycznego Fig. 1. Conventional screw used in the study

16 12 8 4 0 40 38 35 33 30 0 20 40 60 80 100 I, A Ps ,k W N, obr/min

Rys. 3. Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na pobór mocy i pr¹du na stanowisku badawczym:I — natê¿enie pr¹du, Ps — moc

czynna,N — prêdkoœæ obrotowa œlimaka

Fig. 3. Effect of the screw speed on the amperage and power con-sumption of the test stand:I — amperage, Ps — power

consump-tion,N — screw speed

30,0 22,5 15,0 7,5 0,0 18,0 13,5 9,0 4,5 0,0 0 20 40 60 80 100 p, MPa G ,kg/h N, obr/min

Rys. 2. Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na natê¿enie prze-p³ywu tworzywa i ciœnienie w g³owicy wyt³aczarki:p —

ciœnie-nie,G — masowe natê¿enie przep³ywu, N — prêdkoœæ obrotowa

œlimaka

Fig. 2. Effect of the screw speed on the flow rate and die pressure:

(4)

t³okowego. Interesuj¹cy jest równie¿ brak przyrostu ciœ-nienia w strefie sprê¿ania œlimaka (rys. 4), co mo¿e wyni-kaæ z niedostatecznego zagêszczenia materia³u w tym obszarze.

W pocz¹tkowej czêœci œlimaka (rys. 5) tworzywo stopniowo siê zagêszcza, przy czym zagêszczanie za-chodzi od strony zwoju atakuj¹cego. Prostok¹ty wi-doczne na rys. 5 wskazuj¹ obszar bardzo s³abego za-gêszczenia, w którym tworzywo by³o bardzo luŸno zwi¹zane i odpada³o od œlimaka przy wyci¹ganiu go z wyt³aczarki. Zagêszczanie tworzywa jest pokazane na rys. 6 w widoku od strony cylindra, na rys. 7 — od strony œlimaka i na rys. 8 — w przekroju poprzecznym zwoju œlimaka. Widaæ wyraŸnie, ¿e zwiêkszaj¹ca siê prêdkoœæ obrotowa œlimaka powoduje przesuniêcie w prawo po³o¿enia koñca zagêszczania tworzywa i wyd³u¿enie tego obszaru. Z porównania rys. 6 i rys. 7 wynika, ¿e zagêszczanie od strony cylindra zachodzi szybciej (zwoje 16, 17, 18) ni¿ od strony œlimaka (zwoje 13, 14, 15).

a)

b)

c)

Rys. 6. Próbki kompozytu uzyskane w procesie wyt³aczania z ró¿-n¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka, pobrane ze zwojów 16—20 (wi-dok od strony cylindra): a)N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min,

c)N = 80 obr/min

Fig. 6. Composite samples obtained by extrusion at different screw speeds, taken from the coils 16—20: (barrel-side view):

a)N = 20 rpm, b) N = 50 rpm, c) N = 80 rpm

Rys. 7. Próbki kompozytu uzyskane w procesie wyt³aczania z ró¿-n¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka, pobrane ze zwojów 13—17 (wi-dok od strony œlimaka): a)N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min,

c)N = 80 obr/min

Fig. 7. Composite samples obtained by extrusion at different screw speeds, taken from the coils 13—17: (screw-side view):

a)N = 20 rpm, b) N = 50 rpm, c) N = 80 rpm

a) b) c)

Rys. 5. Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na charakterystykê przetwarzania kompozytu: a)N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min, c) N =

80 obr/min, — warstwa granulatu

Fig. 5. Effect of the screw speed on the composite processing characteristics: a)N = 20 rpm, b) N = 50 rpm, c) N = 80 rpm, — granulate 18,0 13,5 9,0 4,5 0,0 p, MPa 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 L, m 1 2 3

Rys. 4. Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na rozk³ad ciœnienia w wyt³aczarce:p — ciœnienie, L — d³ugoœæ wyt³aczarki, N —

prêd-koœæ obrotowa œlimaka: 1 — 21,9 obr/min, 2 — 52,4 obr/min, 3 — 80,3 obr/min

Fig. 4. Effect of the screw speed on the pressure profile along an extruder:p — pressure, L — extruder length, N — screw speed:

(5)

W koñcowej fazie zagêszczania rozpoczyna siê uplas-tycznianie tworzywa. Postêpuje ono od strony cylindra wyt³aczarki. Nie obserwuje siê tutaj jednak, ani mecha-nizmu uplastyczniania CSM (ang. Contiguous Solid

Mel-ting), klasycznego dla tradycyjnego wyt³aczania jednoœli-makowego z zasilaniem grawitacyjnym (bez dozowania tworzywa), ani te¿ mechanizmu obserwowanego pod-czas wyt³aczania jednoœlimakowego z dozowaniem two-rzywa. Obu tych mechanizmów dotycz¹ ostatnie prace [19, 20] (rys. 9).

Klasyczny mechanizm uplastyczniania zaobserwo-wali po raz pierwszy Maddock i Street, ale Tadmor jako pierwszy zbudowa³ model matematyczny

uplastycznia-nia tworzywa w wyt³aczarce jednoœlimakowej [16]. Zgodnie z tym mechanizmem (rys. 9a), uplastycznianie tworzywa zachodzi od strony cylindra, gdzie tworzy siê cienka warstewka tworzywa uplastycznionego, która jest nastêpnie zbierana przez œciankê zwoju œlimaka. Two-rzywo uplastycznione gromadzi siê w tylnej, aktywnej czêœci kana³u, podczas gdy czêœæ przednia — pasywna — jest wype³niona tworzywem sta³ym. W miarê postêpu uplastyczniania, szerokoœæ warstwy sta³ej tworzywa stopniowo siê zmniejsza.

Rysunek 10 przedstawia próbki tworzywa (w prze-kroju poprzecznym) pobrane z obszaru uplastyczniania tworzywa. Jest oczywiste, ¿e mechanizm Tadmora tu nie wystêpuje. W tym przypadku mo¿na siê spodziewaæ uplastyczniania jednowymiarowego, postêpuj¹cego w kierunku od cylindra do œlimaka. Wskazuje na to rów-nie¿ wniosek wynikaj¹cy z porównania rys. 6 i 7, zgodnie z którym zagêszczanie od strony cylindra zachodzi szyb-ciej. Taki jednowymiarowy mechanizm uplastyczniania mo¿e byæ niekiedy obserwowany w przypadku wyt³a-czania tworzyw sproszkowanych [21].

Przep³yw tworzywa w koñcowej czêœci œlimaka w ob-szarze materia³u ca³kowicie uplastycznionego obrazuje rys. 11. W warunkach ma³ej prêdkoœci obrotowej œlimaka na powierzchni styku tworzywa z cylindrem powstaje wyraŸna warstewka tworzywa uplastycznionego, której gruboœæ zmniejsza siê wraz ze zwiêkszaj¹c¹ siê prêdkoœ-ci¹ obrotow¹ œlimaka.

Proponowany w tej pracy mechanizm uplastycznia-nia w wyt³aczarce jednoœlimakowej polimerowego kom-pozytu drzewnego o du¿ej zawartoœci m¹czki drzewnej przedstawia rys. 12. Uplastycznianie zachodzi od strony cylindra, gdzie powstaje cienka warstewka tworzywa uplastycznionego. W miarê postêpu uplastyczniania gruboœæ warstewki siê zwiêksza, ale iloœæ uplastycznio-nego materia³u jest zbyt ma³a, aby przy zwoju ataku-j¹cym móg³ siê utworzyæ wyraŸny obszar tworzywa Rys. 8. Próbki kompozytu uzyskane w procesie wyt³aczania z

ró¿-n¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka, pobrane ze zwoju 16 (przekrój poprzeczny): a) N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min, c) N =

80 obr/min

Fig. 8. Composite samples obtained by extrusion at different screw speeds, from the coil 16 (cross-section): a) N = 20 rpm,

b)N = 50 rpm, c) N = 80 rpm

Rys. 9. Uplastycznianie w wyt³aczarce jednoœlimakowej [19]: a) wyt³aczanie tradycyjne z zasilaniem grawitacyjnym, mechanizm uplas-tyczniania typu CSM (ang.Contiguous Solid Melting), b) wyt³aczanie z dozowaniem tworzywa, uplastycznianie dwuetapowe w

wyni-ku przewodzenia i wg modelu dyspersyjnego

Fig. 9. Melting in a single-screw extruder [19]: a) conventional extrusion with gravity feeding,Contiguous Solid Melting (CSM) melting

(6)

uplastycznionego (tzw. jeziorko), tak jak w przypadku wyt³aczania tworzyw termoplastycznych. Uplastycznio-ny kompozyt o du¿ej zawartoœci m¹czki drzewnej prze-nika stopniowo w kierunku œlimaka. W zwi¹zku z tym wydaje siê, ¿e proces przebiega wed³ug mechanizmu

uplastyczniania jednokierunkowego, zachodz¹cego g³ównie na drodze przewodzenia i postêpuj¹cego w kie-runku od cylindra do œlimaka.

W toku wyt³aczania kompozytów WPC zaobserwo-wano wyraŸny efekt rozdzierania (ang. surface tearing). Rysunek 13 przedstawia wp³yw prêdkoœci obrotowej œli-maka na chropowatoœæ powierzchni wyt³aczanego

mate-Rys. 12. Mechanizm uplastyczniania kompozytu polimero-wo-drzewnego z du¿¹ zawartoœci¹ m¹czki drzewnej

Fig. 12. Melting mechanism for wood-plastic composite with high wood flour content

Rys. 13. Próbki kompozytu uzyskane w procesie wyt³aczania z ró¿n¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka, pobrane u wylotu g³owicy (efekt rozdzierania): a)N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min, c) N =

80 obr/min

Fig. 13. Composite samples obtained by extrusion at different screw speeds taken from the die (surface tearing effect): a)N =

20 rpm, b)N = 50 rpm, c) N = 80 rpm

Rys. 11. Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na charakterystykê przep³ywu kompozytu: a) N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min,

c)N = 80 obr/min

Fig. 11. Effect of the screw speed on the composite flow characte-ristics: a)N = 20 rpm, b) N = 50 rpm, c) N = 80 rpm

Rys. 10. Próbki kompozytu uzyskane w procesie wyt³aczania z ró¿n¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ œlimaka, pobrane ze zwoju 14 (prze-krój poprzeczny): a) N = 20 obr/min, b) N = 50 obr/min, c) N =

80 obr/min

Fig. 10. Composite samples obtained by extrusion at different screw speed, from the coil 14 (cross-section): a) N = 20 rpm,

b)N = 50 rpm, c) N = 80 rpm 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 B 0 20 40 60 80 100 N, obr/min

Rys. 14. Wp³yw prêdkoœci obrotowej œlimaka na roszerzanie

stru-gi:B — stopieñ rozszerzania strugi, N — prêdkoœæ obrotowa

œli-maka

Fig. 14. Effect of the screw speed on the extrudate swell:B —

(7)

ria³u. Zwiêkszenie prêdkoœci obrotowej œlimaka powo-duje pogorszenie jakoœci powierzchni.

Stopieñ rozszerzania strugi tworzywa, definiowany stosunkiem œrednicy wyt³aczanego materia³u do œredni-cy ustnika g³owiœredni-cy wyt³aczarskiej, mia³ wartoœæ niewiel-k¹ i nieznacznie zwiêkszaj¹c¹ siê ze wzrostem prêdkoœci obrotowej œlimaka (rys. 14). Ta obserwacja potwierdza dostêpne dane literaturowe.

PODSUMOWANIE

Zbadano doœwiadczalnie przep³yw polipropyleno-wego kompozytu drzewnego z udzia³em 70 % mas. m¹czki drzewnej w procesie wyt³aczania jednoœlimako-wego, w ró¿nych warunkach technologicznych prze-twórstwa. Oceniono przebieg uplastyczniania i przep³y-wu tworzywa na podstawie tzw. zimnego eksperymentu wyt³aczania z zastosowaniem techniki wyci¹gania œli-maka.

Stwierdzono, ¿e przep³yw polimerowych kompozy-tów drzewnych jest zasadniczo odmienny od przep³ywu tworzyw termoplastycznych. W pocz¹tkowej czêœci œli-maka tworzywo zagêszcza siê stopniowo, od strony zwo-ju atakuj¹cego. D³ugoœæ strefy zagêszczania wyd³u¿a siê ze wzrostem prêdkoœci obrotowej œlimaka. W koñcowej fazie zagêszczania rozpoczyna siê uplastycznianie two-rzywa wed³ug postulowanego uplastyczniania jednowy-miarowego, postêpuj¹cego w kierunku od cylindra do œlimaka.

W przypadku kompozytów o du¿ej zawartoœci m¹cz-ki drzewnej mechanizm uplastyczniania jest odmienny od mechanizmu uplastyczniania tworzyw termoplas-tycznych. Odmienny jest równie¿ mechanizm przep³y-wu kompozytu w stanie uplastycznionym, z tendencj¹ do poœlizgu i przep³ywu t³okowego. Modelowanie pro-cesu wyt³aczania kompozytów polimerowo-drzewnych wymaga wiêc odmiennego podejœcia ni¿ modelowanie wyt³aczania tworzyw termoplastycznych. Na podstawie badañ w³asnych i danych literaturowych mo¿na stwier-dziæ, ¿e ró¿nice dotycz¹ce mechanizmu uplastyczniania i charakteru przep³ywu kompozytu zwiêkszaj¹ siê wraz z zawartoœci¹ m¹czki drzewnej.

LITERATURA

[1] Bledzki A.K., Reihmane S., Gassan J.: Polymer-Plastics Tech-nology and Engineering 1998, 37, 451.

http://dx.doi.org/10.1080/03602559808001373

[2] Klyosov A.A.: „Wood-Plastic Composites”, Interscience Publishers, John Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey 2007.

[3] Oksman Niska K., Sain M.: „Wood-Polymer Composites”, Woodhead Publishing Limited, Abington Hall, Cambridge 2008.

[4] Zajchowski S., Ryszkowska J.: Polimery 2009, 54, 674. [5] Li T.Q., Wolcott M.P.: Polymer Engineering and Science 2005,

45, 549. http://dx.doi.org/10.1002/pen.20308

[6] Li T.Q., Wolcott M.P.: Polymer Engineering and Science 2006, 46, 114. http://dx.doi.org/10.1002/pen.20432

[7] Li T.Q., Wolcott M.P.: Polymer Engineering and Science 2006, 46, 464. http://dx.doi.org/10.1002/pen.20505

[8] Xiao K., Tzoganakis C.: ANTEC 2002: Plastics-Annual Technical Conference, Conference Proceedings 2002, 38, 252.

[9] Xiao K., Tzoganakis C.: ANTEC 2002: Plastics-Annual Tech-nical Conference, Conference Proceedings 2002, 39, 197. [10] Xiao K., Tzoganakis C.: ANTEC 2002: Plastics-Annual

Tech-nical Conference, Conference Proceedings 2002, 39, 975. [11] Xiao K., Tzoganakis C.: ANTEC 2002: Plastics-Annual

Technical Conference, Conference Proceedings 2002, 40, 448.

[12] Hristov V., Takacs E., Vlachopoulos J.: Polymer Engineering and Science 2006, 46, 1204.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.20592

[13] Vlachopoulos J., Hristov V.: „Rheology of Wood Polymer Composites”, Proceedings of the Regional PPS Meeting, B1, Pretoria, RPA 2006.

[14] Santi R.C., Hage E.Jr., Vlachopoulos J., Correa C.A.: Interna-tional Polymer Processing 2009, 24, 346.

http://dx.doi.org/10.3139/217.2238

[15] Solfaghari A., Behravesh A.H., Shakouri E., Soury E.: Poly-mer Engineering and Science 2010, 50, 543.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.21567

[16] Wilczyñski K.: „Reologia w przetwórstwie tworzyw sztucznych”, WNT, Warszawa 2001.

[17] Ariffin A., Ahmad M.S.B.: Polymer-Plastics Technology and Engineering 2011, 50, 395.

http://dx.doi.org/10.1080/03602559.2010.543228

[18] Wilczyñski K., Nastaj A., Lewandowski A., Wilczyñski K.J.: Polymer-Plastics Technology and Engineering 2012, 51, 626. http://dx.doi.org/10.1080/03602559.2012.659313

[19] Wilczyñski K., Lewandowski A., Wilczyñski K.J.: Polymer Engineering and Science 2012, 52, 1258.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.23076

[20] Wilczyñski K.J., Nastaj A., Lewandowski A., Wilczyñski K.: Polymer Engineering and Science 2014, 54, 2362.

http://dx.doi.org/10.1002/pen.23797

[21] Campbell G.: ANTEC 2011: Plastics—Annual Technical Conference, Conference Proceedings 2011, 47, 1367.

Cytaty

Powiązane dokumenty

Dokument roboczy służb Komisji: Streszczenie oceny skutków towarzyszące dokumentom: Wniosek dotyczący rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady zmieniającego rozporządzenie

Wśród działań, które mogą przyczynić się do większej skuteczności pełnego progra- mu wspierania innowacyjności i komercjalizacji wyników badań naukowych, w tym tak- że

W opracowaniach tych unika się na ogół przypisywania omawianym czynnikom biologicznym roli decy- dującej w występowaniu zachowań przestępczych czy też

różnią się od nie karanych jakimiś cechami środowisk rodzinnych lub na- sileniem czy rodzajem objawów nieprzystosowania społecznego, w związku z którymi

Wśród zachowań, których średnia ocen jest wyższa od 6 (a więc takich, które są już potępiane w bardzo dużym stopniu, bowiem graniczną, najwyższą

Do jeszcze innej klasy zjawisk należy zatrzymanie alkoholika czy narkomana, często zanieczyszczonego lub potencjalnie groźnego dla zdrowia policjanta (możliwość

W sytuacji braku lub niedoskonałości rynków zastosowanie analizy kosztów i korzyści do oceny efektywności projektu lub inwestycji jest możliwe wyłącznie po uwzględnieniu tak

— „Katolickie Stowarzyszenie Pomocy Rodzinie im. Brata Alberta” w Płocku, skupiające byłych więźniów i osoby bezdomne, oferując im darmowe noclegi i wyżywienie. Podopieczni