Katkılı Polimerlerin Ekstrüzyonu Ve Koekstrüzyon Kalıbı Tasarım Metodolojisinin Geliştirilmesi

Abstract

Bu tez çalışması kapsamında proses edilen malzeme reolojik özelliklerinin deneysel olarak belirlenmesiyle istenen üretim hızında ve proses sıcaklığında plastik boru imalatında kullanılacak koekstrüzyon kalıbı tasarım metodolojisi geliştirilmiştir. Birinci bölümde; grafit, kalsit ve nanokil katkılarının polipropilen (PP) matris ile karıştırılması ile kompozit numuneler elde edilmiştir. Bu malzemelerin ve katkısız PP’nin kayma viskozitesi; elastik ve viskoz kayma modülleri ile kompleks viskozite gibi özellikleri rotasyonel ve kapiler reometre ile ölçülmüştür. Derişikliğin, sıcaklığın ve katkı tipinin malzeme reolojisine etkileri incelenmiştir. Kalsit-PP ve grafit-PP kompozitlerinde derişikliğin artmasıyla reolojik değişkenlerin değerleri artarken, nanokil-PP kompozitlerinde derişikliğin artmasıyla azalma gözlenmiştir. İkinci bölümde; askı-tipi dağıtıcılarla beslenen konik spiral kalıplardan oluşan üç katmanlı koekstrüzyon kafası tasarımı metodolojisi geliştirilmiştir. Konik spiral kalıbın içerisindeki akışın analizi için literatürde yer alan bir analitik yöntem uyarlanarak geliştirilmiştir. Spiral kalıp için gerçekleştirilen Sayısal Akışkanlar Dinamiği (SAD) analizi sonuçları incelendiğinde analitik yöntemin başarılı olduğu görülmüştür. Konik askı-tipi dağıtıcının ön tasarımı analitik yöntemle gerçekleştirilmiştir. Dağıtıcının geometrik parametrelerinin optimizasyonunda konik geometriler için geliştirilen elektrik şebekesi benzeşimi yöntemi kullanılmıştır. SAD analizi sonuçlarına göre dağıtıcı performansının oldukça iyi olduğu anlaşılmıştır. Konik spiral kalıp ve katmanlı akış bölgesi için gerçekleştirilen SAD analizleri yardımıyla akış değişkenleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Tasarlanan konik koekstrüzyon kafa imal edilerek üretim deneyleri gerçekleştirilmiştir.

Within the scope of this thesis, design methodology of coextrusion dies has been developed for the production of multi-layered plastic pipes under the desired production rate and process temperature considering experimentally measured rheological properties of process materials. In the first part; graphite, calsite and nanoclay fillers have been mixed with polypropylene (PP) by use of twin screw extruder. Shear viscosities, elastic modules, viscous modules and complex viscosities of these composites and neat PP have been measured by rotational and capillary rheometers. The effects of filler concentration, temperature and filler type on materials rheology have been investigated. Though the values of rheological variables of calsite-PP and graphite-PP composites increase with the addition of filler into the polymer matrix, the values of rheological variables of nanoclay-PP composites decrease with increasing the filler concentration. In the second part; three-layer coextrusion die which consists of conical spiral dies fed by coat-hanger type distributors has been designed and manufactured. An analytical method is developed adapting a method from literature for flow analysis of conical spiral dies. Computational Fluid Dynamics (CFD) results have shown that the analytical method is successful. Preliminary design of conical coat-hanger die is carried out analytically. Electrical network method developed for conical geometries is employed for the optimization of coat-hanger die. The CFD results show that conical coat-hanger die performs well. Flow variables through the conical spiral mandrel die and stratified flow region are investigated by CFD analyses in detail. The designed conical coextrusion head is manufactured and production experiments are carried out with it.