The extrudate swell, die swell, or Barus effect is the ratio of extruded product diameter to the die diameter through which the material was extruded. The extrudate diameter or area is obtained after the material is allowed to relax completely and care should be taken to make sure that there is no draw down followed by extrusion.
Post-extrusion swelling and extrudate distortion phenomenon reveal the viscoelastic nature of elastomeric materials and are particulary critical in polymer processing. With the short dies used in the polymer industry, it is clear that extrudate swell depends not only on the rheological properties of the compounds, but also on the praticular geometry of the extrusion system.
There are several main factors affecting post-extrusion swelling and the critical conditions for the onset of extrudate distortion.
In our experiments, the effects of die exit geometry on die swell and melt fracture were investigated. The geometry of die exit was changed to see whether it could reduce the die swell ratios.
An experimental study of extrudate swell of several melts (low-density polyethylene, styrene-butadiene rubber(SBR), SBR/HAF compound) has been carried out in the absence of applied take-up force.
Extrudate swell for a melt emerging from dies with differing diameters correlates with capillary-wall shear rate. Extrudate swell increased with shear rate. Swell passed through a minium value at about 45° die exit angle. The melt fracture region decrease with increase of the die exit angle.
Die Swell 이란 일반적으로 점탄성 유체가 die에서 공기로 유출될 때 압출체의 단면적이 die의 단면적보다 커지는 현상을 말한다. 그리고 Melt Fracture란 어떤 임계 속도 이상에서 압출체가 끊어지거나 불규칙한 모양을 가지게 되는 현상을 말한다. 이러한 Dimensional Stability 와 Extrudate Distortion은 고무 혹은 고분자 압출 성형시 많은 문제를 발생시킨다. 본 연구에서는 capillary 즉 die 출구의 geometry를 변형시켰을 때 Swelling Ratio 와 Melt Fracture의 변화에 대해서 고찰해 보았다.
압출체의 팽창 기구에 대해 많은 이론적인 연구가 수행된 지금 상황에서 압출체의 팽창은 die 내로 배열된 고분자가 die를 빠져 나옴에 따라 탄성 회복에 의해서 본래의 변형을 기억하는 것으로 보는 것이 타당하다. 여기에 착안하여 die 출구의 형태를 변화 시켜서 응력 완화의 시간차를 주어 팽창을 줄이고자 이번 연구를 수행하였다.
실제로 실험에 사용된 물질로는 탄성이 좋은 고무(SBR1500), LDPE5301 등을 사용하였고, 실험 장치로는 Instron Capillary Rheometer에 camera를 장착하여 팽창 정도를 측정하였다. 그리고 충진제로 carbon black을 첨가하여 Extrudate Distortion을 없앴다.
형틀의 출구 각도를 증가시킴에 따라 45°까지는 팽창비가 감소함을 보였다. 그리고 각도 증가에 의해서 critical shear가 증가함에 따라, 높은 shear rate에서도 가공이 가능함을 알 수 있었다.
