РЕОМЕТР
RHEOMETER

Изобретение касается реометра, в частности для определения и/или контроля текучих свойств термопластичных полимеров.
В частности, изобретение касается реометра в соответствии с признаками ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Термопластичные полимеры обычно обрабатываются методом экструзии или методом литья под давлением. Для подготовки материала чаще всего применяются компаундеры или, соответственно, синхронные двухшнековые экструдеры. При этом пластификация полимеров чаще всего осуществляется с помощью шнековых пластифицирующих узлов. Пластифицированные полимерные расплавы, как правило, представляют собой неньютоновские текучие среды, которые отличаются свойствами, зависящими от времени или скорости сдвига. При этом вязкость не является константой, а изменяется с градиентом сдвига. Но полимерные расплавы и растворы отличаются также сложными реологическими свойствами при растяжении, так как вязкость при растяжении зависит от скорости растяжения и времени нагрузки, и существуют особые эффекты, такие как, напр., упрочнение растяжением. Напр., из Х.-Й. Люгер, Ю. Митлингер: Study of glass-fiber-reinforced polypropylene in elongational and shear rheometry. Advances in Plastics Technology Conference, Сосновец, Польша (2015) или Митлингер: Экструзия и компаундинг полимеров - современные исследовательские работы. 24. Леобенский коллоквиум по полимерам, Горный университет Леобена, Австрия (2015) известно, что реологические исследования при растяжении могут давать важную дополнительную информацию по сравнению с чистыми реологическими экспериментами при сдвиге. Вследствие этого при обработке термопластичных полимеров возникают очень сложные процессы, которые только условно поддаются математической регистрации и теоретическому описанию. Эти процессы могут только условно имитироваться или экспериментально исследоваться, чтобы, напр., регистрировать и оптимизировать, а также совершенствовать качество процессов пластификации. Это относится, в частности, к барьерным шнекам и шнекам, имеющим элементы растяжения, которые в основном применяются для пластификации. При этом особую важность имеют волновые шнеки и энергопередающие шнеки.
Для исследования вязкости пластифицированных, неньютоновских материалов в DE 42 20 157 A1 было предложено устройство для измерения вязкости, у которого выпущенный из шнека экструдера материал продавливается через прямоугольную щель. В канальной щели предусмотрено множество сенсоров давления.
Из DE 34 90 044 T1 известно устройство для измерения внутреннего трения жидких веществ. Дополнительно к трению посредством этого устройства может также определяться коэффициент трения жидкостей. Для этого предусмотрена втулка, через которую течет жидкость. Внутри этой втулки может быть предусмотрено сужение, которое работает подобно соплу Вентури. Для регистрации результатов измерений предусмотрены термометры.
Другое устройство для определения реологических свойств текучих субстанций показано в DE 195 29 578 A1. Предложенный там щелевой реометр имеет сужающийся кольцевой зазор, на котором производятся измерения давления.
Устройство для определения падения давления при течении пластифицированных масс через капилляр, имеющий заданное поперечное сечение и заданную длину, описывает DE 198 46 579 C1. При этом расплав посредством объемно регулируемого насоса продавливается через капилляр. Посредством датчиков давления и измерительных датчиков температуры может осуществляться контроль гидродинамических процессов.
Реометр, имеющий настраиваемый зазор, ранее известен из US 5,277,058 A. Посредством этого реометра могут определяться скорости сдвига и силы сдвига.
Известные из уровня техники реометры, хотя и могут регистрировать специфические процессы при течении неньютоновских текучих сред, однако по условиям соответствующей конструкции реометров они ограничены очень узкими областями применения и не позволяют отображать качество сложных процессов пластификации с помощью месящих и транспортирующих элементов, барьерных шнеков, волновых шнеков и/или энергопередающих шнеков.
Таким образом, в уровне техники показаны различные, непрерывно работающие реометры, так называемые экструзионные реометры, которые имеют один или несколько каналов для расплава или каналов для текучей среды. Причем эти несколько каналов чаще всего включены каждый параллельно, чтобы можно было одним процессом измерения регистрировать несколько результатов измерений при различных скоростях сдвига. Однако с их помощью не могут имитироваться или исследоваться сложные процессы в пластифицирующих шнеках, в частности барьерных шнеках.
В основе изобретения лежит задача по созданию реометра, который, в частности, применим для контроля процессов, а также для разработки и изучения шнековых пластифицирующих узлов, имеющих барьерные шнеки, волновые шнеки и энергопередающие шнеки и прочие элементы растяжения.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью комбинации признаков п.1 формулы изобретения, в зависимых пунктах показаны другие предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Таким образом, в соответствии с изобретением предусмотрено, что реометр имеет корпус, в котором между впускным отверстием и выпускным отверстием выполнен по меньшей мере один по существу прямолинейный канал. Причем этот канал снабжен прямоугольным поперечным сечением. Вдоль канала расположены устройства для измерения давления. В соответствии с изобретением канал выполнен так, что он по своей длине снабжен циклично сужающимся и расширяющимся поперечным сечением.
В особенно предпочтительном усовершенствовании изобретения предусмотрено, что предусмотрены два параллельных друг другу канала, которые отделены друг от друга посредством по меньшей мере одной перегородки. Эта перегородка образует зазор с находящейся напротив нее стенкой корпуса, так что возможно течение из одного из каналов в другой канал через этот зазор.
Чтобы исследовать, имитировать и/или контролировать сложные процессы в обрабатывающих шнеках, таких как барьерные шнеки, волновые шнеки и энергопередающие шнеки, надо учесть, что гидродинамический процесс в таких шнековых пластифицирующих узлах очень сложен и состоит из наложения главных течений и обратных течений. При этом главное течение является следствием вращения шнека, в то время как обратное течение является следствием создаваемого шнеком сопротивления инструмента. При этом посредством предлагаемого изобретением реометра могут экспериментально имитироваться процессы в шнеке, а также предпочтительным для контроля процесса образом использоваться преимущества реологии при растяжении благодаря предлагаемой изобретением многократной деформации сдвига и растяжения расплава или раствора.
Конструкция предлагаемого изобретением реометра способствует тому, что в неньютоновской текучей среде не возникает главное течение, и свойства обратного течения неньютоновской текучей среды могут исследоваться отдельно от главных течений.
В соответствии с изобретением через впускное отверстие вводится пластифицированный жидкотекучий материал. Это может осуществляться посредством экструдеров, шестеренных насосов или тому подобного. Для контроля процесса при процессах экструзии, литья под давлением или компаундирования можно направлять некоторую часть транспортируемого материала в реометр, при необх. с промежуточным подключением дополнительного насоса.
Для поддержания постоянной температуры было бы предпочтительно дополнительно нагревать реометр, например, до температуры от 180 до 300°C. Однако в соответствии с изобретением можно также только частично пластифицировать подведенный материал, чтобы таким образом также экспериментально регистрировать и/или контролировать онлайн свойства плавления, которые возникают в барьерных шнеках.
Вследствие изменяющихся в соответствии с изобретением поперечных сечений канала получаются различные формы изменения давления, зависящие от имеющихся в каждом случае площадей поперечного сечения. Благодаря этому, в частности, при онлайн-контроле производственных процессов могут делаться заключения о составе и качестве термопластичного материала. При этом в частности, следует также учесть, что применяемые в промышленности материалы содержат добавки и, таким образом, образуют компаунды. Свойства добавок зависят от разных параметров и могут изменяться во время производственного процесса. Посредством онлайн-контроля такие изменения могут распознаваться заблаговременно, так что могут приниматься надлежащие меры для поддержания высококачественного производства, такие как, напр., концепции регулирования.
При применении двух параллельных друг другу каналов в соответствии с изобретением может оказаться важным, чтобы сужающие и расширяющие поперечные сечения двух каналов отличались друг от друга. Это означает, что начиная от впускного отверстия, поперечное сечение одного канала сужается, в то время как поперечное сечение другого канала расширяется. При этом, применительно к данной длине канала или рабочей длине канала, в двух каналах действуют различные условия давления, которые приводят к различным свойствам перетекания текучей среды через зазор перегородки. При этом в соответствии с изобретением зазор может по всей длине каналов иметь одинаковую высоту. Однако можно также варьировать высоту зазора.
В особенно предпочтительном усовершенствовании изобретения может быть предусмотрено, чтобы перегородка имела профилированную верхнюю кромку. Благодаря этой профилированной верхней кромке, которая может быть выполнена прямоугольной, гиперболической, волнообразной или с другими размерами, получаются различные условия течения из одного канала в другой. При этом возможно универсальное применение предлагаемого изобретением реометра для экспериментального нахождения сложных условий течения.
Перегородка в соответствии с изобретением может быть выполнена с возможностью демонтажа, так что при неизменном структурировании каналов могут достигаться различные условия перетекания из одного канала в другой канал.
В предпочтительном усовершенствовании изобретения предусмотрено, что сужающие и расширяющие поперечные сечения канала образуются профилированной стенкой канала. Это означает, что одна из стенок предпочтительно выполненного с прямоугольным поперечным сечением канала профилирована, например, в боковом поперечном сечении синусоидально, трапецеидально, в виде зубьев пилы или подобным образом. При этом боковые стенки канала выполняются плоскими и неизменными по рабочей длине канала, в то время как четвертая стенка снабжена профилированием. При этом щель перегородки предпочтительным образом предусмотрена для непрофилированной стенки канала.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемый изобретением реометр имеет, таким образом, два параллельных друг другу канала. Однако в соответствии с изобретением можно также предусмотреть большее количество каналов, например, четыре канала, которые проходят параллельно друг другу и которые отделены друг от друга каждый перегородкой, снабженной зазором для перетекания. При этом возможно перетекание текучей среды из одного канала в соседний канал. Это имитирует процессы при специальных конструктивных формах барьерных шнеков, волновых шнеков и/или энергопередающих шнеков, так что могут экспериментально находиться свойства зависимости производительности от давления этих шнеков. Так как у предлагаемого изобретением реометра отсутствует главное течение, результаты измерения могут проще интерпретироваться и соотноситься с возникающими физическими процессами. Это дает многочисленные возможности, такие как, например, регистрация влияния перегородки для перетекания, волнового исполнения каналов для расплава или свойств вещества текучей среды, включая вязкость при растяжении, на свойства зависимости производительности от давления. Многократная деформация сдвига и растяжения позволяет дополнительно получить возможность особым образом использовать преимущества реометрии растяжения для аналитики и контроля процесса.
Предлагаемый изобретением реометр может, таким образом, применяться для имитации самых различных процессов, включая исследование свойств участвующих текучих сред. Соответственно этот реометр пригоден для текущего контроля процесса, чтобы можно было находить возникающие во время технологического процесса изменения свойств материалов. Благодаря этому возможно высокое и воспроизводимое качество производственных процессов.
Выбор размеров каналов предлагаемого изобретением реометра может адаптироваться к соответствующим данным. При этом может быть удобно, если ширина канала существенно больше, чем высота канала, применительно к данному поперечному сечению канала. При этом ширина может быть больше или равна 5-кратной или 10-кратной высоте канала. Благодаря этому гарантируются надежные текучие свойства, также как и надежное протекание через канал по аналогии с условиями течения, которые возникают в шнеке. В 5-10 раз большая, по отношению к его высоте, ширина канала учитывает сцепление со стенкой и трение о стенку текучей среды и служит для улучшенной имитации условий течения.
Чтобы можно было имитировать гидродинамические процессы в шнеке, в частности барьерном шнеке, и особым образом использовать преимущества реометрии растяжения для аналитики и контроля процесса, может быть удобно, если канал по всей своей длине имеет от одного до пятнадцати сужающих и расширяющих поперечных сечений, предпочтительно в равном количестве.
Предлагаемая изобретением перегородка, которая отделяет друг от друга соседние каналы, может иметь ширину от 3 мм до 20 мм.
Таким образом, предлагаемый изобретением реометр по своей конструкции и своему принципу действия пригоден для моделирования геометрий, которые, в частности, возникают в барьерных шнеках, волновых шнеках и/или энергопередающих шнеках и, наряду с различными профилями скорости сдвига, создавать также профили скорости растяжения в исследуемом материале, так что при этих гидродинамических процессах в реометре малейшие колебания качества материала могут регистрироваться по изменениям во времени сигналов давления. С помощью щели, которую перегородка образует с внутренней стенкой реометра, могут представляться процессы обратного течения, которые идентичны или по меньшей мере очень близко подходят к реальным условиям в описанных шнеках. Благодаря этому реометр может особенно предпочтительно применяться как для теоретического изучения основ, так и для текущего контроля процесса.
Далее изобретение описывается на примерах осуществления в сочетании с чертежом. При этом показано:
фиг.1: частичный вид в перспективе первого примера осуществления предлагаемого изобретением реометра;
фиг.2: вид сечения реометра, показанного на фиг.1;
фиг.3: изображение в перспективе, аналогичное фиг.1;
фиг.4a-4c: упрощенные формы поперечного сечения предлагаемой изобретением перегородки;
фиг.5: упрощенный вид в плане изображения в соответствии с фиг.1, и
фиг.6-8: примеры различных профилирований стенки канала.
На фиг.1 показан один из примеров осуществления предлагаемого изобретением реометра в открытом состоянии. На фиг.2 соответственно для пояснения показан вид сечения. Реометр имеет корпус 1, в котором выполнены два параллельных друг другу канала 4. Они отделяются друг от друга перегородкой 8, которая может быть выполнена с возможностью демонтажа. Перегородка 8 имеет верхнюю кромку 10, которая образует расстояние до внутренней стенки плоской крышки 12. При этом возникает зазор 9, см., в частности, фиг.2 и фиг.4a-4c.
Как показано на фиг.1, корпус снабжен впускным распределителем 13, который распределяет втекающую массу текучей среды по впускным отверстиям 2 двух параллельных каналов 4. Текучая среда протекает при этом через каналы 4 и выходит через выпускные отверстия 3. Для пояснения эта система еще раз изображена на фиг.5. На фиг.5 показан также дополнительный насос 14, который может быть предусмотрен для нагнетания текучей среды.
В области каналов, как изображено на фиг.5, предусмотрены устройства 5 для измерения давления. Дополнительно могут быть также предусмотрены не изображенные устройства для измерения температуры.
Как следует, в частности, из фиг.1-3, каналы 4 имеют каждый различные поперечные сечения каналов. При неизменной ширине B каналов это приводит к изменяющейся высоте H данного канала или, соответственно, получающегося из ширины B и высоты H эффективного поперечного сечения канала.
Различные профилирования нижней в соответствии с фиг.1 стенки каналов 4 видны из вида сечения фиг.2. На нем показан, в частности также поясняющим образом, зазор 9, который выполнен между верхней кромкой 10 и плоской крышкой 12. Разумеется, что протекающая масса текучей среды, в зависимости от данного поперечного сечения канала, имеет различные давления, которые, таким образом, приводят также к различным свойствам перетекания через зазор 9.
Профилирование стенки канала 4 образует при этом, как изображено на фиг.3, минимумы и максимумы. На фиг.6-8 соответственно показаны различные возможные профилирования. В соответствии с фиг.6 профилирование осуществляется, как изображено также на фиг.1 и 3, синусоидально, в то время кК на фиг.7 и 8 показан трапецеидальный профиль или профиль в форме зубьев пилы. Отсюда явствует, что, применительно к направлению течения, которое осуществляется по стрелке фиг.6-8 слева, осуществляется более медленный темп уменьшения поперечного сечения канала, которое связано с более медленным подъемом давления. Вслед за максимумом с наименьшим поперечным сечением канала в соответствии с фиг.7 и 8 осуществляется относительно быстрое увеличение поперечного сечения.
В показанных примерах осуществления общая длина каждого канала может составлять от 100 мм до 400 мм. Ширина B канала может быть от 15 до 40 мм, в то время как наименьшая высота при максимуме структурирования стенки канала (фиг.3) может составлять 0,6-2,0 мм. Максимальная высота при минимальном профилировании может составлять от 3,0 до 8,0 мм, как это изображено также на фиг.6. В зависимости от исследуемых или контролируемых геометрий и соответствующих свойств текучей среды в соответствии с изобретением по всей длине канала может, чередуясь, сменяться от одного до пятнадцати максимумов и от одного до пятнадцати минимумов поперечного сечения канала. Эти сужающие поперечные сечения 6 и расширяющие поперечные сечения 7 (см. фиг.2) предпочтительным образом выполнены соответственно чередуясь в соседних каналах, так что в одном канале действует максимум давления, в то время как в другом канале при одинаковой рабочей длине образуется минимум давления.
На фиг.4a-4c показаны различные профилирования верхней кромки 10 перегородки 8. В то время как фиг.4a образует прямоугольную форму, имеющую плоскую верхнюю кромку 6 для образования зазора 9, верхняя кромка в соответствии с фиг.4b гиперболически закруглена. Можно также предусмотреть по ширине перегородки волнообразное структурирование верхней кромки. На фиг.4c показан другой вариант, при котором применяются верхняя и нижняя перегородка, при этом зазор 9 может находиться в средней области перегородки. Как пояснено, можно также выполнить перегородку 8 варьирующейся по ее длине, так чтобы также с помощью перегородки могли создаваться гидродинамические процессы растяжения.
Реометр может применяться в различных положениях монтажа для выполнения близкой к практике имитации или контроля процессов пластифицирующего узла или шнека.
Таким образом, предлагаемый изобретением реометр обеспечивает возможность экспериментальной имитации шнека, в частности для экспериментального определения свойств зависимости производительности от давления. Так как у предлагаемого изобретением волнового реометра не возникает главное течение, свойства обратного течения текучей среды могут исследоваться отдельно от главных течений. Это обеспечивает возможность более простой интерпретации данных измерений, а также соответствующих физических процессов. При надлежащем температурном режиме можно также предусмотреть подвод текучей среды в только отчасти пластифицированном состоянии, чтобы экспериментально регистрировать и анализировать свойства плавления. В целом реометр обеспечивает возможность исследования свойств течения текучих сред при растяжении. Один из особенно важных аспектов заключается в том, чтобы посредством реометра контролировать текущий производственный процесс, чтобы можно было реагировать на изменения свойств текучей среды. Разумеется, что волновой реометр может применяться для контроля процесса самых различных типов текучих сред и машин по обработке текучих сред, то есть также для процессов без пластификации.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Корпус
2 Впускное отверстие
3 Выпускное отверстие
4 Канал
5 Устройство для измерения давления/температуры
6 Сужающее поперечное сечение
7 Расширяющее поперечное сечение
8 Перегородка
9 Зазор
10 Верхняя кромка
11 Стенка канала
12 Плоская крышка
13 Впускной распределитель
14 Насос