Messung des inneren Reibkoeffizienten

Forschungsprojekt P 14360Messung des inneren ReibkoeffizientenGünter Rüdiger LANGECKER09.05.2000 Für die Feststoffförderung und den Druckaufbau in der Einzugszone von Einschneckenextrudern sind die an Schnecke und Zylinder vorliegenden Reibkräfte von entscheidender Bedeutung. Diese lassen sich über einen einfachen Coulombschen Ansatz in ihrer Größe bestimmen, vorausgesetzt, die Reibkoeffizienten sind bekannt. Neben dem so genannten äusseren Reibkoeffizienten gibt es auch einen inneren, der das Reibverhalten der Partikel untereinander charakterisiert. Die Kenntnis des inneren Reibkoeffizienten ist vor allem dann von Bedeutung, wenn der Druckaufbau in einem Nutbuchsenextruder berechnet werden soll. In diesem Fall setzt sich die effektive Reibkraft am Zylinder aus einem inneren und einem äußeren Reibanteil zusammen. Weil kein stetiger Übergang zwischen der Scherebene in den Nuten und der glatten Zylinderoberfläche vorhanden ist, muss auch ein Kanteneffekt berücksichtigt werden. Die geplante Messapparatur gestattet neben der Bestimmung des äußeren und inneren Reibkoeffizienten in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Gleitgeschwindigkeit auch die Untersuchung dieses Kanteneffekts. In einer Reihe von Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Berechnung des Druckaufbaus und der Temperaturentwicklung an der Zylinderinnenseite und damit die Vorbedingungen für den nachfolgenden Aufschmelzprozess von gravierender Bedeutung sind. Eine Messapparatur, mit deren Hilfe derartige Untersuchungen durchgeführt werden können, steht bisher noch nicht zur Verfügung. Die richtige Beschreibung der anisotropen Druckverteilung in Schüttgütern, die in einem Vorprojekt untersucht wurde, wird ebenfalls zur Verbesserung der Druck- und Temperaturberechnung in der Einzugszone eines Einschneckenextruders beitragen.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde eine neue Versuchsapparatur konstruiert und gebaut, die sowohl die Messung des inneren als auch des äußeren Reibkoeffizienten von Kunststoffschüttgütern gestattet. Die Kenntnis dieser Materialdaten ist für die Berechnung des Druckaufbaus und der Temperaturentwicklung in der Feststoffförderzone von Einschneckenextrudern von großer Bedeutung. Die Reibapparatur arbeitet nach dem Prinzip eines vertikal angeordneten Feststoffförderextruders, wobei der Förderwiderstand über einen konischen axial verschieblichen Ringkolben aufgebracht wird. Der Gegendruck am Auslauf der Apparatur wird über ein Hydrauliksystem während der Messung konstant gehalten. Die Zylinderbuchsen sind austauschbar: Für die Messung des inneren Reibkoeffizienten wird eine Buchse mit Sägezahnnuten verwendet, für den äußeren eine glatte Buchse. Die Apparatur wird kontinuierlich mit Kunststoffschüttgut durchströmt, weshalb auch bei hohen Drücken stationäre Temperaturverhältnisse realisiert werden können. Eine speziell entwickelte Messsensorik erlaubt es den Einfluss des Druckverlaufs, des Drehmoments, der Temperatur und der Gleitgeschwindigkeit zu erfassen, sodass die Reibkoeffizienten in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Geschwindigkeit bestimmt werden können. Der innere und der äußere Reibkoeffizient nehmen mit zunehmenden Drücken ab. Auch mit zunehmender Geschwindigkeit und Temperatur nehmen die Reibkoeffizienten ab. Das Verhältnis zwischen innerem und äußerem Reibkoeffizienten ist nicht konstant; es nimmt zu höheren Drücken hin ab. Die Korngeometrie hat einen deutlichen Einfluss auf das Reibverhalten. Durch die Verwendung von Zylinderoberflächen mit größeren Rautiefen sind wie erwartet Steigerungen des äußeren Reibkoeffizienten und damit größere Durchsatzleistungen möglich. Der äußere Reibkoeffizient von hygroskopischen Polymeren nimmt mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt ab. Die Kunststoffwirtschaft zählt zu den Branchen mit den größten Wachstumsraten. Die Forderung nach kürzeren Entwicklungszeiten und Erhöhung der Durchsatzleistungen macht den Einsatz von Simulationsprogrammen erforderlich. Voraussetzung ist allerdings eine systematische Erforschung der Vorgänge in den Verarbeitungs- anlagen und die Entwicklung entsprechender Untersuchungsapparaturen zur Bestimmung der erforderlichen Materialdaten. Mit diesem Projekt konnte entsprechendes Grundlagenwissen zur Beschreibung der Vorgänge in der Feststoffförderzone von Einschneckenplastifiziereinheiten und zur Messung für die Simulation erforderlicher Materialdaten erarbeitet werden. Auf dieses Grundlagenwissen kann in weiterer Folge in Zusammenarbeit mit Industriepartnern in konkreten anwendungsorientierten Problemlösungen aufgebaut werden.