Mixing is crucial in most polymer processing operations towards obtaining high-quality products (e.g. tubing, tire treads and wire coverings). Material type, screw design, and processing conditions all affect mixing profoundly. Different types of mixing elements have been developed to improve mixing in the single screw extruder; however, the selection of these mixing elements is not trivial. In this work, our purpose is to provide quantitative tools to select the best mixing element. Residence time distribution (RTD) and image analysis were used to compare mixing in three different mixing elements: single flight, Maddox, and Saxton. Residence time distributions were used to indirectly grasp an insight about the strain distribution inside the extruder. Experimental RTD data were derived from silica tracer studies and compared to various mixer models. A model based on a plug flow mixer in series with two continuous stirred tanks best fit the experimental data in all three different mixing elements. For the image analysis method the degree of mixing was determined. Mixtures of polyethylene resins with carbon black were extruded and sliced. Subsequently, sliced samples were scanned to provide images showing the distribution of the carbon black in the resin. The RTD experiments showed that the mean residence time is highest in the Saxton mixer and the lowest in the single flight element. Also, the RTD was broadest in the Saxton mixer and narrowest in the single flight mixer. This means that the polymer in the Saxton mixer experiences the widest range of strains and gets mixed more thoroughly. These results were confirmed by image analysis, which showed that polymers mixed in the Saxton mixer were more homogenously mixed compared to the two other mixing elements. / Les phénomènes de mélange dans les extrudeuses monovis ont été étudiés en détail depuis de nombreuses années. Le défi principal est le choix des éléments de mélange les mieux appropriés pour une tâche de mélange donnée. A ce jour, les fabricants d'équipements de mise en oeuvre des matières plastiques s'appuient fortement sur des données expérimentales et leur expérience pour opérer ce choix. Dans ce travail, notre objectif est de développer des critères d'évaluation quantitatifs pour différents éléments de mélange dans les extrudeuses monovis. A cet effet, nous comparons l'effat de mélange dans trois éléments de mélange différents (à savoir une zone de vis à filet simple, une zone de mélange à filet barrière de type Maddock, et une troisième zone à picots de type Saxton) en utilisant la distribution du temps de séjour et l'analyse d'images. Pour la distribution du temps de séjour, une matière de traçage est injectée dans la machine, et sa concentration dans l'extrudat déterminée par la pesée du résidu solide des échantillons. Pour l'évaluation optique du mélange, des images de copeaux d'échantillons étaient analysées au moyen d'un logiciel Matlab. Donc, les différents éléments de mélange sont caractérisés, pour les matières utilisées dans cettte étude (des polyoléfines), par la distribution du temps de séjour et la qualité de mélange obtenue par analyse d'image. Mis ensemble, nos résultats confirment que la qualité de mélange obtenue est directement liée à la distribution du temps de séjour; le meilleur résultat est obtenu avec le mélangeur de type Saxton. Les deux paramètres peuvent être utilisés non seulement pour l'évaluation, mais aussi la prédiction de l'effet de mélange dans d'autres conditions et configurations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.103764 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Kalali, Kiana |
| Contributors | Milan Maric (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Chemical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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