A theoretical model for predicting morphology evolution of immiscible polymer blends in a co-rotating twin screw extruder was described with a new blend's constitutive equation, Lee & Park model. This new theory is describing the overall morphology of immiscible binary blends in terms of an interface are a and it's anisotropy. It has several advantages, such as, no limitations of flow type, applicability for any domain shape and compositions. Also, it includes three dimensionless parameters λ, μ, ν which imply the relaxat ion characteristics of the blend morphology. In order to find out the effect of these parameters on the morphology evolution, the sensitivity on the interfacial area Q and anisotropy $q_{ij}/Q$ has been evaluated in the steady simple shear flow and the step-up conditions for this theory. It was found out that the parameter λ and μ are the controlling factors affecting the domain size but parameter μ only could affect the relaxation time of morphology evolution especially near the parameter limit 0 and 1.
In our study, the classical algorithm has been used to find the pressure profile and the degree of fill along the screw axis for the modular type twin screw extruder. This is based on the screw characteristic curves to obtain a pressure gradient in a given flow-rate and the backward calculation of pressure profile starting from die region. Several rheological parameters can be obtained from the results of pressure profile. The partially filled region was also considered in order to describe the morphology evolution. From the starvation experiment in internal mixer, the apparent shear rate has been found to be proportional to the degree of fill. This relationship was used to explain the morphology behavior in partially filled region of the twin screw extruder. Also, the status of flow in the partially filled region could be explained qualitatively with this experiment. From direct watching the flow pattern in the partially filled region, it was found that the melttend to escape to the free volume which allow no contacting on the moving screw surface at the condition of low degree of fill. This resulted in the unstable torque profile when the degree of fill was low, but the torque increased rapidly at some point as increasing the degree of fill. Therefore, it is necessary to increase the degree of fill more than some fill-level for effective mixing in the partially filled region.
With the above results, the overall model predictions for the various operating conditions are performed and compared to the experiment for the PS/LDPE blends. The results of prediction were consistent with the experimental results quantitatively and it was found that the partially filled region affects on the resultant morphology in twin screw extrusion. Also, the morphology prediction and experiments were performed for the PS/LDPE/SEBS blends using SEBS as a compatibilizer in a twin screw extrusion. Comparing to the case of non-compatabilizing blends, it was actually no difference in aspect of the algorithm to simulate the morphology evolution for the compatabilized blend. Lee and Park parameters include the effect of compatabilizer on the blends in this case. It was found that the compatibilizer reduced the domain size markedly and restrained the coalescence more effectively in case of low matrix viscosity, also the sensitivity on the morphology of extrusion conditions(screw speed, flow-rate) was lowered.
Therefore, it may be concluded that the new constitutive equation is very useful to describe the morphology behavior not only for the twin screw extruder but also for the other polymer processing equipments. The simulation program was developed adequately to apply to the real industrial problems by adapting the user-friendly windows environment.
동회전 이축압출기(co-rotating twin screw extruder)에서 비상용 이성분계 블렌드(immiscible binary blend)의 모폴로지 거동을 새로운 블렌드 구성 방정식인 Lee 와 Park 이론을 사용하여 모사를 시도하였다. 이 이론은 계면 면적 밀도(Q)와 계면 비등방성 텐서(anisotropic tensor, tij) 항을 도입하여 이성분계 블렌드의 전체적인 모폴로지를 나타낸다. 이론의 일반성으로 인해서 기존의 단일 액적의 거동을 기반으로 한 이론에 비해, 고분자 블렌드계에 적용하기에 좋은 여러 가지 장점이 있다. 이 이론은 분산상의 농도, 유체흐름의 종류(flow type), 분산상의 형태에 대한 제한이 없이 적용할 수 있다. 이 이론에는 세개의 무차원 파라미터 $\lamda, \mu, \nu$가 포함되어 있다. 이 파라미터들은 블렌드의 모폴로지 완화 특성을 나타내므로 다른 유변 파라미터를 포함한 각 파라미터들이 외부 유동장(flow field)에서 모폴로지의 변화에 어떠한 영향을 미치는 지를 알기 위해 단순 전단 흐름(simple shear flow)에서 정상상태일 때와 전단율이 순간적으로 변하는 비정상상태에서의 파라미터 민감도(parameter sensitivity)를 조사하였다. 그 결과 파라미터 $\lamda$와 $\mu$값에 의해 정상상태의 분산상 크기가 정해지며, 모폴로지의 완화 속도는 $\mu$값에 의해, 특히, 0과 1 양 경계 근처에서 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 모듈러형 이축압출기에서의 압력분포와 충진율(degree of fill) 분포를 얻기 위해 고전적 알고리듬을 이용했다. 이 방법으로 각 스크류 엘리먼트(screw element)의 스크류 특성곡선(screw characteristic curve)에 기반을 두고 주어진 유량에서의 압력 분포를 압출다이(die)부에서 시작하여 역방향으로 구할 수 있었다. 일단 압력분포를 알면 필요한 유변학적 파라미터를 구할 수 있었다. 본 모사 연구에서는 믹서(internal mixer)실험을 통해 압출기 미충진 영역(starvation region)의 겉보기 전단율이 충진율과 실험적으로 비례한다고 놓을 수 있었으며, 이 관계를 이용하여 미충진 영역의 모폴로지 변화를 설명할 수 있었다. 이 실험으로부터 또한, 미충진 영역의 유동상황을 정성적으로 예측할 수 있었는데, 작은 충진율에서는 유체의 재배치가 가능한 큰 자유공간(free volume)때문에 불안정한 토크(torque)를 보이다가 충진율이 증가함에 따라 안정한 유동이 이루어져 토크의 급격한 증가를 볼 수 있었다. 따라서, 미충진 영역에서의 효과적인 혼련을 위해서는 충진율이 일정수준 이상이 되어야 함을 알 수 있었다. 이상의 결과를 이용하여 PS/LDPE 블렌드계의 이축압출기에서의 모폴로지 변화를 스크류 회전속도 및 유량조건을 달리하며 모사하였으며 실험결과와 비교하였다. 비교 결과, 압출물의 분산상 크기에 미치는 공정조건의 영향을 설명할 수 있었으며, 미충진 영역이 최종 모폴로지에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. SEBS를 상용화제로 사용하여 PS/LDPE/SEBS 블렌드계에 대하여 같은 방법으로 이축압출기에서의 모폴로지 변화를 모사하였으며, 실험 결과와 비교하였다. 상용화계 블렌드의 경우에도 비상용화계의 경우와 모사 방법은 같았으며, 상용화에 의한 블렌드의 모폴로지 변화 특성은 Lee 와 Park 파라미터에 반영되어 나타났다. 실험결과와 비교하여, 압출기의 공정조건에 대한 압출물의 분산상 크기 변화는 비상용화계의 경우와 같은 경향을 보였으나, 상용화 효과에 의해서 분산상의 크기가 대폭 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 계면의 안정성이 증대되어 합체(coales cence)현상이 억제됨을 알 수 있었으며, 이 효과는 블렌드 기질(matrix)의 점도가 작은 경우에 더욱 효과적 이었다. 또한, 압출조건에 대한 모? 변화 민감도(sensitivity)도 작아진 것을 확인 할 수있었다. 이상과 같이 새로운 비상용 이성분 블렌드계의 구성 방정식인 Lee와 Park 이론을 이용하여 이축압출기의 모폴로지를 효과적으로 모사할 수 있었으며, 이론의 일반성으로 다른 블렌드 가공공정에도 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발한 이축압출모사 프로그램은 PC의 원도우 환경에서 손쉽게 사용할 수 있도록 구성하여 실무에 활용이 가능하도록 완성도를 높였다.
