Ekstruzyon kaplama yöntemiyle eş-zamanlı çift taraflı film kaplama
Simultaneous double-side coating of a film by extrusion coating method
Yazar: MUSTAFA DOĞU
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ GÜRKAYNAK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Yarık kalıpla ekstrüzyon kaplama, çözücüsüz/kuru kaplama için kullanılan en önemli kaplama yöntemlerindendir. Bu yöntemle Newton-tipi-olmayan akışkanların çeşitli tabanlar üzerine sürekli şekilde kaplanması mümkün olmaktadır. Kaplamada en önemli süreç kalite kıstası kaplama kalınlığının muntazam şekilde sağlanmasıdır. Yarık kalıpla kaplama işleminde muntazam kaplama kalınlığı elde etmek için, polimer çıkış akış dağılımı (değişkenlik katsayısı - CV) homojenliğini mümkün olan en düşük basınç düşüşüyle (P) sağlamak üzere çeşitli kalıp tasarımları kullanılmaktadır. Bu kalıpların tasarımında deneysel deneme-yanılma çalışmaları veya yapılan simülasyonlarla bilgisayar ortamında deneme-yanılma çalışmaları yöntem olarak kullanılmaktadır. Bilgisayar simülasyonları maliyeti düşürse de, özel uzmanlık gerektirmesi sebebiyle faydalarından yeterince yararlanılamamaktadır. Bu çalışmada, eş-zamanlı çift-taraflı kaplama amacıyla yeni bir parametrik kalıp optimizasyonu sonlu elemanlar yöntemi kullanılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellemeleriyle gerçekleştirilmiş, her tasarım parametresinin CV ve P üzerindeki etkileri reolojik davranışlar dikkate alınarak irdelenmiştir. Newton tipi olmayan reolojik davranışı tarif etmek için Carreau Modeli kullanılmıştır. Reolojik model parametreleri, akış debisi ve kalıp geometrik parametrelerini içeren toplam 15 parametrenin kalıp performansına etkisi 219 modelleme çalışmasında incelenmiş, kalıp performans değerlerinin kalıp parametrelerine bağlı olarak kestirilebilmesi için bir değerlendirme çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu değerlendirme sonunda tasarım parametrelerinin 5'i için en uygun değerler tespit edilmiş, 3'ü için uygun tercih aralıkları belirlenmiştir. Kalıp tasarımına girdi oluşturan 5 parametre (kaplama genişliği, giriş akış debisi, kuvvet-yasası katsayısı, sıfır-kayma-hızındaki vizkozite ve doğal zaman) ve tercih edilen diğer parametrelere (bariyer açısı, kaplama açısı, kaplama kısmı uzunluğu) bağlı olarak, tasarımı tamamlayacak diğer parametre değerlerinin tespiti ve kalıp geometrisi optimizasyonu için başarılı bir kalıp tasarım yöntemi geliştirilmiştir. CV ve P değerlerini ifade eden ampirik denklemlerden faydalanılan bu tasarım yönteminde kalıp, iki ana geometrik bölge kapsamında bütüncül bir yaklaşımla değerlendirilmiştir. CV'nin kestirimi için, ilkinin çıktısı ikincisine girdi oluşturan sırasıyla 3-değişkenli 2. derece ampirik bir denklem (veri noktası sayısı 36 ve r2 değeri 0,99) ve 4-değişkenli üslü ampirik bir denklem (veri noktası sayısı 36 ve r2 değeri 0,93)  elde edilmiştir. P değerinin kestirimi için, analitik yollarla elde edilen "paralel plakalar arası ince yarıktaki basınç düşüşü denklemi" incelenen kalıp geometrisine uyarlanmış, bu amaçla iki ayrı ampirik P ifadesi (veri noktası sayısı sırasıyla 42 ve 36; r2 değerleri sırasıyla 0,99 ve 0,98) geliştirilmiştir. Birincil performans parametresi olarak irdelenmese de, incelenen kalıp içindeki en yüksek kayma hızını etkileyen parametreler de incelenmiş ve kalıp içindeki en yüksek kayma hızını ifade eden ampirik denklem "Newton-tipi-olmayan akışkanların ince yarıktaki en yüksek kayma hızı" ifadesinin kalıp geometrisine uyarlanması yoluyla (veri noktası sayısı sırasıyla 42 ve 36; r2 değerleri sırasıyla 0,96 ve 0,99) elde edilmiştir. Veri noktası sayıları ve r2 değerleri, geliştirilen kalıp tasarım yönteminin isabetli ve modelleme sonuçlarıyla uyumlu olduğunu göstermektedir. Bilgisayar ortamındaki çalışmalar sonrasında rasgele seçilen bazı kalıp dağıtma ve kaplama bölgesi geometrileri imal edilerek, kalıp çıkışı akış dağılımları incelenmiştir. Deneyler sonunda ulaşılan CV değerleriyle modelleme sonuçları arasında bir miktar fark olsa da, tasarımların birbirlerine göre uygunluk sıralamasının hem deney hem de modelleme sonuçlarında aynı olduğu görülmüştür. CV değeri farkının en önemli sebebinin, denemelerde kullanılan akışkan viskozitesinin yüksekliği ve kalıp içi basınçtan dolayı kalıp orta bölgesinde ortaya çıkan kalıp açılması olduğu sonucuna varılmıştır. Bu farkı ve uygunsuzluğu azaltmak üzere, oluşturulan tasarım yöntemi uygulama aralıklarında sıfır-kayma-hızındaki-viskozite üst sınırı görece düşük (1200 Pa.s) tayin edilmiştir. Yukarıda belirtilen ve bu tip yan etkilerle açıklanabilen fark dışında, tüm deneysel çalışma bulguları modelleme bulgularını doğrulamakta olup, amacın deneme-yanılma çalışmalarını en aza indirmek olduğu göz önünde bulundurulduğunda modelleme/deneysel çalışması arasındaki fark ihmal edilecek seviyededir. Çalışma sonucunda, hem deneysel hem de bilgisayar ortamındaki deneme-yanılma çalışması ihtiyacını en aza indirerek, uygun kalıp tasarımına en kolay şekilde ulaşılmasını sağlayacak ampirik denklemlerden oluşan başarılı bir tasarım yöntemi geliştirilmiştir.

Abstract:
Slot-die coating is one of the most important processes used for the solventless/dry coating methods. This method ensures non-Newtonian fluids to be coated onto various substrates continuously. In the coating process, the most important quality criterion is the availability of uniform coating thickness. In order to provide a uniform coating thickness on the substrate in slot-die coating process, various die-manifold designs are used to ensure polymer exit flow distribution (coefficient of variance - CV) homogeneity with a pressure loss (P) as low as possible. As a method of die design, experimental trial-and-error studies or trial-and-error studies by computer-aided-simulations are usually used. Although the computer simulations decrease the overall costs of die design, their benefits are usually passed over due to their special expertise requirements. In this study, a novel die for simultaneous double-side coating was optimized parametrically by computational fluid dynamics simulations using finite element method, and effects of every design parameter on CV and P were investigated by considering rheological behaviour. Non-Newtonian rheological behaviour was described by using Carreau Model. The effect of 15 die design parameters (including rheological model parameters, flow rate and geometric parameters) on die performance were investigated by performing 219 modelling simulations, and then, an evaluation was performed to estimate the die performance based on the die parameters. As a result of this evaluation, the optimum values were defined for 5 design parameters, and the optimum value ranges were determined for the other 3 design parameters. Based on the values for 5 input parameters of die design (coating width, input flow rate, Power Law coefficient, zero-shear-rate viscosity, and natural time) and the preferred values for 3 design parameters (barrier angle, coating angle, length of coating zone), a successful die design method was developed to determine the other parameter values to finalize the design. In this design method in which the empirical equations to calculate CV and P were used, coating die was investigated in two main geometric zones by a holistic approach. In order to estimate CV value, a 3-variable second order empirical equation (36 data points and a r2 value of 0.99) and a 4-variable power function empirical equation (36 data points and a r2 value of 0.93) were deduced in the form that the first equation produced an input value for the second equation. In order to estimate P value, "the pressure loss equation in a thin slit between parallel plates" was derived analytically and this analytical expression was adapted for the die geometry, resulting in two empirical equations (42 and 36 data points and r2 values of 0.99 and 0.98, respectively). Although it was not classified as a primary performance criterion, the effects of the parameters on the maximum shear rate were investigated and some empirical equations were deduced by adapting "maximum shear rate expression for non-Newtonian fluids in a thin slit" for the maximum shear rate in die (42 and 36 data points and r2 values of 0.96 and 0.99, respectively). No. of data points and r2 values indicated that the die design method developed in this study was accurate and it was compatible with the simulation results. After computer simulation studies, some randomly selected die geometries were manufactured and their exit flow distributions were examined, experimentally. A deviation was seen in between the CV values of experimental and simulation results, but the appropriateness levels of die designs with respect to each other were the same in both experimental and simulation results. It was concluded that the most important reason of this deviation were the high viscosity of fluid used in the experimental studies, and the shell-opening of the die center due to  high fluid pressure inside the die. In order to suppress this deviation, the upper limit of zero-shear-rate-viscosity was defined relatively low (1200 Pa.s) in the application range of the design method. Apart from this discrepancy that could be explained by this kind of side effects, all the results gained from experimental studies verified the simulation results and the variation in between them was negligible by considering that the main aim of the estimation was the minimization of the no. of trial-and-error studies. As a result of the study, a successful die design method ensuring the most appropriate die design by minimizing the requirement for trial-and-error studies in both experimental and computer-aided-engineering level was developed.