Scherung entsteht, wenn zwei Kräfte in entgegengesetzte Richtungen wirken. Dabei entstehen Reibung und Wärme, während sich das Material durch den Extruder bewegt.
Scherung bei der Extrusion verstehen
Bei der Extrusion entsteht Scherung, wenn Materialschichten im Extruder aneinander vorbeigleiten. Dabei entstehen Reibung und Wärme, die zur Formgebung des Produkts beitragen.
Definition der Scherung bei der Extrusion
Scherung ist die Kraft, durch die sich Materialschichten während der Extrusion gegeneinander bewegen. Stellen Sie es sich wie das Aneinanderreiben Ihrer Hände vor: Ihre Hände üben die Kräfte aus, die Reibung dazwischen ist die Scherung.
Im Extruder erzeugt Scherung durch Reibung Wärme. Diese Wärme hilft, das Material während des Transports durch die Maschine aufzuschmelzen und zu mischen. Die Schubspannung ist die Kraft pro Flächeneinheit, die diese Gleitbewegung verursacht.
Wie Scherkräfte entstehen
Der Extruder erzeugt Materialfluss.
Scherströmung und andere Strömungsarten
Bei der Scherströmung gleiten Materialschichten parallel aneinander vorbei. Das unterscheidet sie von der Dehnströmung, bei der das Material in eine Richtung gestreckt wird. Bei der Extrusion treten beide Strömungsarten gemeinsam auf, doch die Scherströmung dominiert im Zylinder und in der Düse.
Schergeschwindigkeit und ihre Rolle im Extrusionsprozess
Die Schergeschwindigkeit misst, wie schnell Polymerschichten während der Extrusion aneinander vorbeigleiten. Sie hängt von Schneckendrehzahl, Kanalgröße und Materialfluss durch die Düse ab.
Was ist die Schergeschwindigkeit?
Sie gibt an, wie schnell sich eine Schicht geschmolzenen Kunststoffs im Vergleich zu einer benachbarten Schicht bewegt. Berechnet wird sie, indem die Geschwindigkeitsdifferenz der Schichten durch ihren Abstand geteilt wird. Die Einheit ist die inverse Sekunde (s⁻¹).
Wenn sich die Extruderschnecke dreht, bewegt sie das Polymer durch Kanäle unterschiedlicher Größe. Schnell fließendes Material in einem engen Spalt erzeugt hohe Schergeschwindigkeiten. Langsam fließendes Material in einem breiten Spalt erzeugt niedrige Schergeschwindigkeiten.
Faktoren, die die Schergeschwindigkeit beeinflussen
Schneckendrehzahl beeinflusst die Schergeschwindigkeit unmittelbar. Eine höhere Schneckendrehzahl beschleunigt das Aneinandervorbeigleiten der Polymerschichten.
Auch die Spaltbreite ist wichtig. Enge Kanäle zwischen Schneckenstegen und Zylinderwand erzeugen mehr Scherung als breite Spalten. Die Düsenöffnung beeinflusst ebenfalls die scheinbare Schergeschwindigkeit am Austritt.
Schergeschwindigkeitsbereiche in industriellen Prozessen
Einschneckenextruder liegen bei Folien typischerweise zwischen 100-500 s⁻¹ und bei Profilextrusionliegt der Wert häufig in diesem Bereich. Der Schneckenkanal nahe der Zylinderwand kann im Normalbetrieb 200 s⁻¹ erreichen.
An bestimmten Stellen treten höhere Werte auf. Je nach Verfahren können an Düsenaustritten Schergeschwindigkeiten von 1,000-10,000 s⁻¹ entstehen.
Scherung durch die Extruderkonstruktion steuern
Die Scherung in Ihrem Extrusionsprozess hängt davon ab, wie Ihre Schneckenauslegung, Zylindertemperaturenund Düsenform zusammenspielen.
Einfluss der Schneckenauslegung auf die Scherung
Die Schneckenauslegung ist der wichtigste Faktor für die Scherung bei der Extrusion. Tiefe und Steigung der Schneckenstege bestimmen, wie stark das Material gefördert und gemischt wird. Tiefe Kanäle erzeugen weniger Scherung, flache Kanäle erhöhen sie.
Auch der Abstand zwischen Schnecke und Zylinderwand ist wichtig. Ein kleinerer Spalt erhöht die Scherung, wenn das Material hindurchtritt. Manche Schnecken verfügen über spezielle Mischzonen, die die Scherung gezielt erhöhen und so die Materialdurchmischung verbessern. Auch die Schneckendrehzahl beeinflusst die Scherung: Höhere Drehzahlen erzeugen mehr Reibung und Wärme.
Zylindertemperaturen und Scherniveau
Die Zylindertemperaturen wirken mit der Scherung zusammen, um das Material richtig aufzuschmelzen. Niedrigere Zylindertemperaturen erfordern mehr Scherung, um das Material zu erwärmen. Höhere Temperaturen verringern den Bedarf an mechanischer Scherung. Entscheidend ist die richtige Balance, damit das Material gleichmäßig schmilzt, ohne abzubauen.
Geometrie der Extrusionsdüse und Scherung
Die Extrusionsdüse erzeugt durch den Materialfluss zusätzliche Scherung. Ein kleinerer Düsendurchmesser erhöht die Schergeschwindigkeit. Moderne Spinnendüsen erzeugen weniger Scherung als ältere Wendelkonstruktionen und helfen so, Materialabbau zu vermeiden.
Auswirkungen der Scherung auf Werkstoffeigenschaften und Produktqualität
Scherung beeinflusst das Verhalten von Polymeren während der Extrusion direkt – vom Schmelzefluss bis zur Festigkeit und Haltbarkeit des Endprodukts.
Scherung, Viskosität und Verhalten der Polymerschmelze
Wenn Polymere einer Scherung ausgesetzt sind, verändert sich ihre Viskosität. Die meisten Polymerschmelzen sind strukturviskos, das heißt, ihre Fließfähigkeit nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit zu. Dadurch kann das Material besser durch Extruderzylinder und Düse fließen.
Der Schmelzindex eines Polymers gibt an, wie leicht es unter bestimmten Bedingungen fließt. Höhere Schergeschwindigkeiten senken die Viskosität und beschleunigen den Schmelzefluss durch die Anlage.
Durch Scherung verursachtes Aufschmelzen und Fließen
Scherung erzeugt durch Reibung zwischen Polymerketten Wärme. Diese Wärme schmilzt Feststoffpartikel auf und hält die Polymerschmelze auf Verarbeitungstemperatur. Die mechanische Energie der rotierenden Schnecke wird in Wärme umgewandelt und unterstützt zusammen mit den Zylinderheizungen den Schmelzprozess.
Polymerabbau durch Scherung
Übermäßige Scherung bricht Molekülketten auf, was zu Polymerabbau führt. Für jedes Material gilt eine kritische Schergeschwindigkeit, die nicht überschritten werden sollte. Wird dieser Wert überschritten, sinkt das Molekulargewicht und die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts verschlechtern sich.
Auswirkungen der Scherung auf die Produktqualität
Kontrollierte Scherung verbessert die Produktqualität durch gleichmäßige Durchmischung und konstante Eigenschaften. Zu starke Scherung beschädigt jedoch die Molekülstruktur und verringert Festigkeit, Schlagzähigkeit und Haltbarkeit der fertigen Produkte.
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Häufig gestellte Fragen
Wie beeinflusst Scherung den Materialfluss im Extruder?
Scherung steuert den Materialtransport durch den Extruderzylinder. Die rotierende Schnecke erzeugt Materialschichten, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeigleiten. Dadurch wird das Material nach vorn befördert, zugleich gemischt und aufgeschmolzen.
Wie entstehen Schubspannung und Schergeschwindigkeit während der Extrusion?
Die Drehung der Schnecke gegen die Zylinderwand erzeugt Schubspannung im Material. Die Schergeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich diese Schichten relativ zueinander bewegen. Beides entsteht, weil die Schnecke das Material mit hoher Geschwindigkeit durch enge Spalte fördert.
Wie beeinflusst hohe Scherung den Temperaturanstieg und die Schmelzequalität bei der Extrusion?
Hohe Scherung erzeugt Reibung zwischen Materialschichten und damit Wärme. Dadurch kann die Temperatur ohne externe Beheizung um über 100°F steigen. Zu starke Scherung kann das Material überhitzen; zu geringe Scherung schmilzt es möglicherweise nicht vollständig auf.
Was ist der Unterschied zwischen Schubspannung und Schergeschwindigkeit bei der Polymerextrusion?
Schubspannung ist die auf das Material wirkende Kraft. Die Schergeschwindigkeit gibt an, wie schnell Schichten aneinander vorbeigleiten.
Wie verändern Schneckenauslegung und Drehzahl die erzeugte Scherung?
Tiefe Schneckenkanäle verringern die Scherung, flache Kanäle erhöhen sie. Eine höhere Schneckendrehzahl erzeugt mehr Scherung.
Wie lassen sich Scherbedingungen in einer Extrusionslinie messen oder abschätzen?
Sie können die Schergeschwindigkeit anhand der Düsenabmessungen, Ausstoßleistung und Materialeigenschaften berechnen.
