====== Phänomenologie ======

====== Phänomenologie ======

Das zudosierte Material wird von den Schneckenelementen unterhalb der Trichteröffnung eingezogen und in den Schnecken als Feststoff in Richtung der Schneckenspitzen transportiert.

Durch den Kontakt mit der beheizten Zylinderwand beginnen die zylinderwandnahen Granulatschichten anzusintern und anzuschmelzen, bis sich schließlich ein weitestgehend zusammenhängender Schmelzefilm über dem Feststoffrückstau im Eingriffsbereich bildet. Unterstützt wird dieser Vorgang durch die in der Praxis üblicherweise durchgeführte Reduzierung der Gangsteigung der Schneckenelemente vor der geometrischen Plastifizierzone, wodurch eine zusätzliche Kompression des Feststoffs und somit ein besserer Kontakt mit der beheizten Zylinderwand erreicht wird. Gleichzeitig werden die unterhalb dieser Schicht liegenden Granulatpartikel durch Konvektion erwärmt.

Durch die Bildung des Schmelzefilms ändern sich die Reibverhältnisse im Eingriffsbereich und im Feststoffrückstau hinter dem Eingriffsbereich. Hierdurch bricht die Zwangsförderung von Feststoff im Einzugsbereich zusammen, und Material wird durch den Zwickelbereich gefördert. Aufgrund des dreidimensionalen Geschwindigkeitsprofils im Eingriffsbereich kommt es zu einer intensiven Durchmischung des Materials. Ist der Anteil an bereits aufgeschmolzenem Material ausreichend, so bildet sich eine Dispersion aus den in fester Phase vorliegenden Granulatkörnern und der in zähflüssiger Phase vorliegenden Polymerschmelze.

Ist der Schmelzeanteil für eine vollständige Dispersionsbildung noch nicht ausreichend, so findet eine Agglomeration von Granulatkörnern statt. Diese Agglomerate werden dann durch Dissipation der bereits vorliegenden Schmelze und durch Wärmeleitung von den umgebenden Wänden sowie Konvektion während ihres Transports weiter aufgeschmolzen und durch das Passieren weiterer Zwickelbereiche schließlich in den bereits beschriebenen Zustand einer Dispersion überführt.

Das weitere Aufschmelzen der noch unaufgeschmolzenen Polymerpartikel kann nach Erreichen dieses Zustands nur durch Wärmeleitung von der heißen Schmelze zu den Granulatkörnern erfolgen, da die Granulatkörner keinen direkten Kontakt mehr mit der beheizten Zylinderwand bzw. mit den heißen Schneckenoberflächen besitzen.

Bedingung für das beschriebene Aufschmelzverhalten ist eine ausreichend lange Feststoffförderzone. In der Praxis eingesetzte Schneckenanordnungen weisen aber nach einer kurzen Förderzone Kombinationen von Knetelementen mit anschließenden Abstauelementen auf, woraus eine partielle Vollfüllung im Plastifizierbereich resultiert.

Reicht die vorhandene Feststoffförderlänge zu einer Schmelzefilmbildung über dem Feststoffrückstau nicht aus, so bleibt die Zwangsförderung des Feststoffs bis zum Ort der ersten Vollfüllung mit Schmelze bestehen. Erst wenn der Feststoff, der eine wesentlich größere Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung besitzt als die Schmelze, den schmelzegefüllten Bereich erreicht, und Schmelze in die Hohlräume der Granulatansammlung eindringen kann, bricht die Zwangsförderung zusammen. Vor dem Ort der ersten Vollfüllung mit Schmelze entsteht hierdurch bei genügend großem Massedurchsatz ein mit Granulat vollgefüllter Schneckenbereich, in dem das Granulat um die Schnecken rotiert.

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**Abbildung:** Aufschmelzverhalten in Gleichdrall-Doppelschneckenextrudern

Die Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung ist in diesem Bereich wesentlich geringer als im Bereich der Feststoffzwangsförderung. Zwischen der in dem vollgefüllten Feststoffbereich auftretenden Reibkraft und der aus der Verdrängungsströmung resultierenden Druckkraft stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Der für die Benetzung der Partikel erforderliche Druck kann mit

$$p = \frac{2K(T_m)d_p}{a_f - d_p}\left(\frac{2\bar{v}(1 + 2n)}{n(a_f - d_p)}\right)^n$$

berechnet werden, wenn von quadratischen Spaltflächen ausgegangen wird. $\bar{v}$ ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze, die man durch Auswertung der Kontinuitätsgleichung erhält.

$$\bar{v} = \frac{\dot{m}}{A_{Kanal}}\left(\frac{1}{\rho_s} - \frac{1}{F_0\rho_m + (1 - F_0)\rho_m}\right)$$

Mit den genannten Gleichungen lässt sich die Länge des Feststoffrückstaus berechnen.

In dem mit Feststoff gefüllten Bereich kann es durch die beheizte Zylinderwand sowie die heißen Schnecken ebenfalls zu einer Schmelzefilmbildung kommen. Ein merkliches Aufschmelzen setzt jedoch erst ein, wenn die Feststoffpartikel den schmelzegefüllten Bereich erreichen und sich wieder der Zustand der Dispersion ausbildet. Das weitere Aufschmelzen erfolgt dann wiederum durch Wärmeleitung von der heißen Schmelze zu den Feststoffpartikeln, wobei die Partikel in ihrem Durchmesser reduziert werden.

Die Verteilung der unaufgeschmolzenen Feststoffpartikel in der Polymerschmelze nach Erreichen dieses Zustandes zeigt ebenfalls obenstehende Abbildung, in der Darstellung dünngeschnittener Proben. Die Schnittrichtung verläuft parallel zur Schneckenachse.

Am Ort der ersten Vollfüllung mit Schmelze beträgt der Feststoffanteil etwas mehr als 50%. In diesem Bereich sind noch geringfügige Lufteinschlüsse erkennbar, was darauf hindeutet, dass an diesem Ort noch nicht alle Hohlräume vollständig mit Schmelze ausgefüllt sind. Im weiteren Verlauf des Aufschmelzens verschwinden diese Lufteinschlüsse. Gleichzeitig werden die Feststoffpartikel in ihrer Größe reduziert, bis schließlich keine Feststoffpartikel mehr vorhanden sind. Eine bevorzugte Verteilung der Feststoffpartikel in der Polymerschmelze während des Aufschmelzvorgangs ist nicht zu erkennen.