FOM Persbericht van 20 februari 2003
2003/02
Wetenschappers van het Instituut-Lorentz verbonden aan de Universiteit Leiden en de Ecole Normale Supérieure in Parijs werpen nieuw licht op het optreden van stromingsinstabiliteiten bij de productie van polymeervezels. Als de productiesnelheid te hoog wordt, begint de straal polymere oplossing of smelt te kronkelen en kan zelfs breken (smeltbreuk). De onderzoekers onder leiding van prof.dr. Wim van Saarloos (Leiden) en dr. Daniel Bonn (Parijs) laten zien dat, in tegenstelling tot wat wetenschappers tot nu toe aannamen, kleine verstoringen ervoor zorgen dat de stroming in de buis instabiel wordt (en breekt), hetgeen tot smeltbreuk leidt. Ze publiceren de resultaten van hun onderzoek in twee artikelen in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters (17 januari 2003 en nog te verschijnen in februari/maart 2003). De resultaten openen nieuwe wegen naar het begrijpen en beïnvloeden van de stroming van complexe vloeistoffen.
Extrusie en het fenomeen smeltbreuk
Extruderen is een industrieel proces om polymeren (plastics) te
verwerken tot vezels. Het polymeer wordt in bolletjes of als oplossing
in de extruder gegoten, eventueel samen met andere stoffen. In
de extruder worden de ingrediënten gemengd en verhit. Vervolgens
perst de machine de polymere smelt onder druk door een nauwe buis.
Bij de uitgang wordt de polymere smelt afgekoeld en zo is de polymeervezel
geboren. De grootte en de vorm van de straal hangen af van de
vorm van de mal. Zo maakt men onder andere allerlei buizen en
optische fibers. Per jaar produceert de industrie wereldwijd 118 miljoen
ton plastic waarvan het grootste deel als polymeervezels. Nylon,
kevlar, acryl en polyamide zijn allemaal voorbeelden van polymeervezels
die we elke dag tegenkomen in onder andere onze kleren, auto's
en tennisrackets.
Al sinds Dupont in de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw de nylonvezel (waar bijvoorbeeld panties uit bestaan) ontwikkelde, plaagt het fenomeen smeltbreuk de industrie (in Nederland onder andere DSM en Akzo Nobel). Als een polymeeroplossing of polymere smelt met een te grote snelheid uit de extruder stroomt, gaat de straal kronkels en vervormingen vertonen: de straal is niet meer mooi glad. Die vervormingen kunnen zelfs zo toenemen dat de stroom die uit de extruder komt, het extrudaat, breekt. Vandaar dat het probleem in de literatuur bekend staat als smeltbreuk ('melt fracture'). Omdat het breken van de smelt de extrusiesnelheid begrenst, en daarmee ook de productiesnelheid, heeft de industrie veel interesse in dit onderwerp.
Vloeistofstroming
De stroming van gewone vloeistoffen, zoals bijvoorbeeld water,
wordt turbulent als de snelheid boven een bepaalde waarde komt.
In de stroming zijn dan allerlei wervels te zien. De snelheid
waarbij turbulentie optreedt hangt af van de viscositeit, de stroperigheid,
van de vloeistof. De balans tussen snelheid en viscositeit wordt
uitgedrukt in het getal van Reynolds: normale vloeistoffen worden
turbulent als dit getal hoog is. In complexe vloeistoffen, zoals
polymere oplossingen, treden naast visceuze effecten ook elastische
effecten op tijdens stroming: de polymeren worden uitgerekt waardoor
de krachten die ze uitoefenen op hun buren in verschillende richtingen
anders zijn. Dit noemt men het normaalspanningseffect. Voor sterk
visceuze vloeistoffen zoals een stroperige polymere oplossing
is het getal van Reynolds verwaarloosbaar klein. Recente experimenten
laten zien dat ook bij dit type vloeistoffen turbulentie optreedt:
visco-elastische turbulentie.
Afhankelijk van de geometrie en het type polymeer treden tijdens extrusie verschillende effecten op. De polymeersmelt kan bijvoorbeeld blijven plakken aan de mond van de extruder. Hierdoor krijgt het materiaal een oppervlak dat eruit ziet als de huid van een haai ('sharkskin'). Bij hogere snelheid laat het oppervlak afwisselend gladde en gerimpelde stukken zien, waarschijnlijk veroorzaakt doordat het polymeer gedeeltelijk aan de wand van de extruder blijft plakken. Dit staat bekend als het 'stick-slip' effect. Echter, zelfs als deze effecten niet optreden, worden de vezels ruw, een effect waar wetenschappers tot nu toe geen verklaring voor gevonden hadden.
Uit berekeningen gedaan in de jaren zeventig van de vorige eeuw, bleek dat de stroming in de extruderbuis zelf lineair stabiel is. Dit betekent dat een heel kleine verstoring van de stroming vanzelf uitdempt en dus geen turbulentie tot gevolg heeft. Wetenschappers hebben sindsdien verschillende theorieën ontwikkeld die de verklaring van het breken van de smelt in allerlei complicaties zoeken, met name in de stroming buiten de buis. Hoewel sommige theorieën misschien correct zijn voor specifieke polymeren, bestond er tot nu toe geen algemene verklaring.
Stroming ín de extruder
De onderzoeksgroepen van Van Saarloos en Bonn zochten de
oorzaak van de instabiliteit in de stroming ín de extruder.
In feite keken de wetenschappers naar de stroming in een oneindig
lange buis. Zij vonden theoretisch en experimenteel dat de visco-elastische
stroming van polymeren in een buis weliswaar lineair stabiel is,
maar niet-lineair instabiel. Een willekeurige verstoring maakt
de stroming alleen instabiel als deze een bepaalde drempelwaarde
overschrijdt. Deze drempelwaarde is afhankelijk van de stroomsnelheid:
als de stroomsnelheid toeneemt, neemt de drempelwaarde (niet-evenredig)
snel af. Analoog aan wat gebeurt voor stroming van normale vloeistoffen
in een buis, ontstaat een instabiele (turbulente) stroming, als
de stroomsnelheid te hoog wordt. Echter, voor de polymeersmelten
zijn het de elastische krachten (de welbekende normaalspanningseffecten),
die het strekken van de polymeerketens veroorzaakt, die ervoor
zorgen dat de stroming instabiel wordt.
De experimenten van Bonn bevestigen het voorspelde scenario niet alleen, maar stemmen zelfs kwantitatief overeen. Uit de resultaten blijkt dus dat de stroming zelf al voldoende is om smeltbreuk te veroorzaken. Om de stroming zo lang mogelijk stabiel te houden, en kronkelen en breken te voorkomen, zouden wetenschappers polymeren kunnen ontwikkelen met een zo laag mogelijke normaalspanning of methoden om instabiliteit te onderdrukken kunnen toepassen. Van Saarloos en collega's hebben de effecten die optreden bij in- en uitstromen van de vloeistof niet meegenomen in hun theorie. In de experimenten hebben Bonn en zijn groep wel naar deze effecten gekeken. Hoewel de stroming verstoord kan worden bij het in- en uitstromen van de extruderbuis, leidt dit nauwelijks tot kronkelen of breken van de stroom.
Toekomst
De resultaten openen nieuwe wegen naar het begrijpen van allerlei
instabiliteiten in stroming van complexe vloeistoffen. Dit model
is ook geldig voor bijvoorbeeld de stroming van een oplossing
van colloïdale suspensies of gels. Na het onderzoek aan cilindervormige
mallen, kijkt FOM-postdoc Alexander Morozov nu naar hetzelfde
effect als de smelt tussen twee platen uit de extruder stroomt,
de standaardmethode om foliën van plastic te maken. Bovendien
zijn de groepen van Van Saarloos en Bonn van plan om hun
onderzoek uit te breiden naar het optreden van visco-elastische
turbulentie in dit soort stromingsproblemen.
Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr.Wim van Saarloos, Instituut-Lorentz, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 55 01, e-mail: saarloos@lorentz.leidenuniv.nl; http://www.lorentz.leidenuniv.nl/~saarloos of bij dr. Daniel Bonn, Ecole Normale Supérieure, Parijs, telefoon: +33 14 432 38 02, http://www.lps.ens.fr/recherche/films-aux-interfaces/interests.html.
De elektronische versies van de illustraties kunnen worden opgevraagd bij Annemarie Zegers, Afdeling Voorlichting, Stichting FOM, telefoon (030) 600 12 18, e-mail: annemarie.zegers@fom.nl.
|
|
Figuur 1: Een polymeersmelt van polyethyleen stroomt met een steeds hogere snelheid uit de extruder. Met toenemende stroomsnelheid gaat de straal kronkels en vervormingen vertonen. Die vervormingen kunnen zelfs zo toenemen dat de stroom die uit de extruder komt, het extrudaat, uiteindelijk breekt. |