Çift vidalı bir ekstrüderde PVC prosesinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and computational investigation of PVC processing in a twin screw extruder
Yazar: ABDULLAH DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL TEKE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Ekstrüder = Extruder ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Polivinil klorür = Polyvinyl chloride

Özet:
Bu çalışmada, plastik ekstrüzyon sektöründe kullanılan iki farklı PVC kuru karışım (dry blend) hammaddenin jelleşme derecesi ile ürün özellikleri karşılaştırılarak optimum jelleşme derecesi tayini yapılmıştır. PVC ürünün mekanik özellikleri için çok önemli bir parametre olan jelleşme derecesi farklı metotlar kullanılarak elde edilmiştir. Tek vidalı bir ekstrüderden farklı proses sıcaklıklarında elde edilen dairesel ekstrüzyon ürünlerinin jelleşme dereceleri diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), kapiler reometri ve çözücü emilimi metotları kullanılarak iki farklı hammadde için de elde edilmiştir. PVC ürünlerin jelleşme derecesi ile akma dayanımı, yoğunluk ve renk değerlerinin değişimi incelenmiştir. 
Polimer eriyik akışlarının sayısal simülasyonu için gerçek viskozite (true viscosity) değerlerinin kullanımı son derece önemlidir. PVC gibi sıcaklığa ve proses şartlarına karşı son derece hassas bir polimerin gerçek viskozite değerlerinin elde edilmesi ekstra ekipman ve metotlar gerektirdiği için literatürde çoğu zaman görünür viskozite (apparent viscosity) değerleri kullanılmaktadır. İki farklı PVC hammaddenin 180 °C ve 190 °C'deki görünür viskozite değerleri kapiler reometreden elde edildikten sonra Bagley ve Rabinowitch düzeltme metotları kullanılarak gerçek viskozite değerleri elde edilmiştir. Ekstrüderlerde plastiğin akış davranışını deneysel olarak incelemek için 55 mm çapında ve 20D uzunluğunda çift vidalı bir ekstrüder imal edilerek vida pompalama bölgesinin 11 farklı noktadan basınç ve sıcaklıkları proses esnasında ölçülüp zamana bağlı olarak kaydedilmiştir. Her iki hammaddeye ait fiziksel özellikler ve gerçek viskozite değerleri kullanılarak çift vidalı ekstrüderin pompalama bölgesi için Ansys Polyflow yazılımı ile 1 ve 1,5 milyon elemanlı sayısal simülasyon yapılmıştır. Hammadde A için deneysel olarak 636 bar ölçülen basınç farkı, sayısal olarak 1 milyon ve 1,5 milyon elemanlı simülasyon için sırasıyla 140 bar ve 230 bar elde edilmiştir. Aynı şekilde Hammadde B için deneysel olarak 657 bar ölçülen basınç farkı, sayısal olarak 1 milyon ve 1,5 milyon elemanlı simülasyon için sırasıyla 185 bar ve 300 bar elde edilmiştir. 
Çift vidalı ekstrüderlerle ilgili önemli bir konu olan vida-kovan aşınmasının incelenmesi için proses esnasında oluşan basınç ve sıcaklıklar literatürde ilk kez vida çevresindeki dört farklı noktadan ölçülerek deneysel olarak elde edilmiştir. OpenFOAM yazılımı ile iki boyutlu sayısal simülasyon yapılarak deneysel bulgularla uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. 10.000 saat üretimde çalışan çift vidalı bir kovanın aşınma miktarı ölçülerek en çok aşınma saat yönünde 30 derece olarak bulunurken, sayısal simülasyon sonucu Yarı-Sommerfeld kayma sınır şartı için ~18 derece, tam kayma sınır şartı için ~24 derece elde edilmiştir. Sayısal simülasyon sonucunda oluşan "anlamsız" negatif basınçlar, kayma sınır şartı sayesinde pozitife dönerek bu problem literatürde ilk kez pratikle tutarlı hale getirilmiştir.

Abstract:
In this study, the optimum gelation degree was determined by comparing the gelation degree and product properties of two different PVC dry blend raw materials used in plastic extrusion industry. The degree of gelation, which is a very important parameter for the mechanical properties of PVC products was obtained by using different methods. Circular extrusion products obtained from a single screw extruder at different processing temperatures and gelation degrees were determined for two different raw materials using differential scanning calorimetry (DSC), capillary rheometry and solvent absorption methods. The gelation degree change of PVC products with the yield strength, solid density and color properties were investigated. 
The use of true viscosity value is very important for computational simulation of polymer melt flows. Apparent viscosity values are often used in the literature, since obtaining the true viscosity values of polymers such as PVC, which is very sensitive to temperature and process conditions requires extra equipment and methods. Apparent viscosity values of two different PVC raw materials at 180 °C and 190 °C were obtained from a capillary rheometer, and true viscosity values were obtained by using Bagley and Rabinowitch correction methods. A 55 mm diameter and 20D long twin screw extruder was manufactured to investigate the melt flow behavior in the extruder. The pressures and temperatures of the twin screw pumping zone measured from 11 different points during the process and recorded depending on time. By using the physical properties and true viscosity values obtained for both raw materials, computational simulations with 1 and 1,5 million elements were done by use of Ansys Polyflow software for the pumping zone of the twin screw extruder. The pressure difference for raw material A was measured 636 bar experimentally and was obtained 140 bar and 230 bar numerically for simulations with 1 million and 1,5 million elements. Likewise, the pressure difference for raw material B was measured 657 bar experimentally and was obtained 185 bar and 300 bar numerically for simulations with 1 million and 1,5 million elements.   
An important issue related to twin screw extruders screw-barrel wear investigated experimentally in the literature for the first time by measuring the pressure and temperatures from four different points around the screw during the process. Compatible results were obtained between two-dimensional numerical simulation with OpenFOAM software and experimental results. By measuring the wear of a twin screw barrel operated for 10.000 hours of production, the maximum wear was measured at 30 degrees in the clockwise direction, while ~18 degrees for the Semi-Sommerfeld slip boundary condition and ~24 degrees for the full slip boundary condition were obtained as a result of the numerical simulation. The "meaningless" negative pressures generated during the computational simulation turned positive thanks to the slip boundary condition, making this problem consistent with practical results for the first time in the literature.