Der Zusammenhang zwischen der Dehnspannung von Kunststoffschmelzen im Düseneinlauf und im Schmelzbruch

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde der Schmelzbruch darauf zurückgeführt, daß im Düseneinlauf eine kritische Dehnspannung der Kunststoffschmelze überschritten wird. In der Regel ist die Einlaufströmung von einem Zirkularwirbel umgeben und kann als annähernd einachsige Dehnströmung betrachtet werden, wobei die Scherung vernachlässigbar ist. Die maximale Dehnspannung wird dann nahezu gleich dem Einlaufdruckverlust. Auf diese Weise läßt sich der Schmelzbruch auch bei extrem kurzen Düsen (sog. Lochdüsen), wo er besonders augenfällig in Erscheinung tritt, deuten.

Die mit Hochdruck-Polyäthylen bei einer Temperatur von 150 °C durchgeführten Experimente führten auf eine kritische Dehnspannung von 11,5±0,5 kp × cm⁻², die unabhängig von der Dehnung oder der Dehngeschwindigkeit war.

Das Strömungsfeld im Düseneinlauf kann man leicht sichtbar machen, wenn man im Füllraum eines Kapillarviskosimeters verschieden eingefärbte Scheiben aufeinander schichtet, auf Extrusionstemperatur erwärmt und nach nur teilweiser Extrusion unter Druck wieder erstarren läßt. Beim Aufschneiden des zurückgebliebenen Füllrauminhalts ergeben sich charakteristische Bilder, die quantitative Schlüsse auf die Dehnung und die Dehngeschwindigkeit zulassen. Daraus und aus dem oben erwähnten Einlaufdruckverlust lassen sich die Dehnspannungen berechnen.

Summary

In this paper it will be shown that melt fracture starts, when the extensional stress in the die inlet exceeds a critical value. If the flow in the die inlet is surrounded, as usual, by an annular vortex, we have a nearly unidirectional extension of the fluid, so that the maximum extensional stress has almost the value of the inlet pressure loss. With very short dies the extrudate distortions are especially well observable, and the onset of melt fracture occurs at a critical extrusion pressure.

Experiments with a high pressure polyethylene of 150 °C temperature resulted in a critical extensional stress of 11,5 + 0,5 kp · cm⁻², this value being independent from extension or rate of extension.

The flow pattern in the die inlet space becomes observable, when discs of two different colors are put in alternating order into the cylinder of a capillary rheometer and are then melted and partially extruded. The remaining melt in the cylinder is then cooled and sliced in the solid state. The characteristic flow patterns produced in this way can be used to calculate the extension and rate of extension vs. the flow coordinate.