Το παρόν μάθημα έχει σαν στόχο να εφοδιάσει τους προπτυχιακούς φοιτητές με τις αναγκαίες γνώσεις για να κατανοήσουν τις βασικές αρχές: ρεολογίας και τεχνολογίας των πολυμερών. Αρχικά παρουσιάζεται στους φοιτητές η έννοια του πολυμερούς, ποιες οι βασικές του ιδιότητες (π.χ. μέσο μοριακό βάρος, θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, μοριακή αρχιτεκτονική μακρομορίων), έτσι ώστε να κατανοηθεί πως τα πολυμερή και γιατί διαφέρουν από άλλα κοινά υλικά. Ακολούθως, παρουσιάζεται στους φοιτητές η έννοια του ιξώδους μη‐Νευτωνικού ρευστού μέσω διαφόρων καταστατικών εξισώσεων. Κατόπιν οι καταστατικές εξισώσεις χρησιμοποιούνται για να αναλυθούν μονοδιάστατα προβλήματα ροής σε γεωμετρίες τύπου αγωγού και παραλλήλων πλακών. Εν συνεχεία, οι φοιτητές εισάγονται στα βασικά είδη ρεολογικών μετρήσεων πολυμερικών τηγμάτων και διαλυμάτων: τριχοειδής ιξωδομετρία και δείκτες ροής τήγματος οι οποίες συνοδεύονται με υπολογισμούς και παλινδρόμηση πειραματικών δεδομένων. Κατόπιν γίνεται εισαγωγή στην έννοια της ιξωδοελαστικότητας. Παρουσιάζονται οι έννοιες του εκτατικού ιξώδους (και της αντοχής τήγματος) και των ορθών τάσεων και ο τρόπος με τον οποίο μετρώνται. Στη
συνέχεια γίνεται εισαγωγή στα προβλήματα ασταθειών πολυμερικών τηγμάτων οι οποίες παρουσιάζονται κατά την έξοδό τους από κανάλια ροών. Γίνεται σύνδεση της ελαστικής συμπεριφοράς των πολυμερικών τηγμάτων με το είδος και το εύρος της αστάθειας. Ακολούθως, οι φοιτητές εισάγονται στις δυναμικές ρεολογικές μετρήσεις και πως μπορεί κανείς να αντλήσει από αυτές πληροφορίες για την μοριακή αρχιτεκτονική καθώς και πως συνδέεται με τις τελικές ιδιότητες του προϊόντος. Το επόμενο κομμάτι της ύλης είναι αφιερωμένο στη βασική μέθοδο κατάσκευής πολυμερικών προϊόντων, την εκβολή
μονοκόχλιων εκβολέων. Εισάγονται τα είδη των εκβολέων, η δομή και η γεωμετρία του κοχλία καθώς επίσης και πως μοντελοποιείται η ροή του πολυμερούς εντός του κοχλία. Παρουσιάζονται επίσης στοιχεία αναμεικτών που τοποθετούνται στο τέλος του κοχλία και ο τρόπος με τον οποίο γίνεται ομογενοποίηση του τήγματος με άλλα στοιχεία όπως πληρωτές, χρώμα κτλ. Διεξάγονται αναλυτικοί υπολογισμοί για ροπή και κατανάλωση ισχύος εκβολέα. Στη συνέχεια αναλύονται τα είδη κεφαλών και τρόποι εκβολής για παραγωγή φίλμ, υμενίων, σωλήνων και τύπου προφίλ. Μέρος της ανάλυσης αφιερώνεται σε περιγραφή της ροής εντός των κεφαλών μέσω υπολογισμών και πως επηρεάζεται από την ρεολογία του πολυμερούς. Στη συνέχεια παρουσιάζεται και υπολογίζεται η μετάδοση θερμότητας στον εκβολέα και στην κεφαλή. Παρουσιάζονται και αναλύονται τρόποι σχεδιασμού κεφαλών εκβολής μέσω υπολογισμών μονοδιάστατης ροής και λογισμικών προσομοίωσης ροών, σε συνδυασμό με πραγματικά δεδομένα ρεολογικών μετρήσεων.

Βασικές ιδιότητες πολυμερών: Θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, μέσο μοριακό βάρος, αντοχή σε θραύση, πυκνότητα, αρχιτεκτονική μακρο‐μορίων κτλ.
Διατμητικό ιξώδες: Μη‐Νευτωνικά ρεολογικά μοντέλα ιξώδους ρευστού: Ostwald‐De Waele, Carreau‐Yasuda, Cross. Μονοδιάστατη μη νευτωνική ροή σε αγωγό, μεταξύ παραλλήλων και υπο κλίση πλακών και συγκλίνοντος αγωγού. Μη‐Νευτωνική ροή Couette. Ανάλυση ροής σε τριχοειδής ιξωδόμετρο και δείκτες ροής τήγματος. Διόρθωση Rabinowitsch. Μη‐  ισοθερμοκρασιακή μελέτη ροών. Mέθοδος μέτρησης ολίσθησης στο τοίχωμα. Μοντέλα διατμητικού ιξώδους για τρισδιάστατη ανάλυδη ροής.
Ιξωδοελαστικότητα: Μερικά ασυνήθιστα ρεολογικά φαινόμενα. Αριθμός Deborah και αριθμός Weissenberg. Μοντέλο ρευστού Maxwell. Πρώτη και δεύτερη διαφορά ορθών τάσεων. Εκτατικό ιξώδες. Ροή σε αγωγό απότομης μεταβολής διαμέτρου. Διόρθωση Bagley. Υπολογισμός εκτατικού ιξώδους με τη μέθοδο του Cogswell. Καταστατικές εξισώσεις: Γενικευμένο Νευτωνικό Ρευστό, μεταφερόμενο μοντέλο Maxwell, μοντέλο De Gennes, μοντέλο Κ‐ΒΚΖ. Διόγκωση εκβαλλόμενου. Ελαστικότητα τήγματος και χαλάρωση τάσης.
Αστάθειες πολυμερών κατά την έξοδο από κανάλια: δέρμα καρχαρία, ρήξη τήγματος, συσσώρευση τήγματος στην έξοδο κεφαλών εκβολής και ρήξη επιφάνειας πολυμερούς που περιέχει φυσικούς πληρωτές (όπως ρινίσματα ξύλου, φλοιούς ρυζιού κτλ).
Δυναμικές ρεολογικές μετρήσεις περιστρεφόμενων ιξωδομέτρων: Ρεόμετρο κώνου‐πλάκας και παραλλήλων πλακών. Γραμμική ιξωδοελαστικότητα ή Μικρού Πλάτους Ταλαντωτική Διάτμηση. Μέτρο αποθήκευσης, μέτρο απωλειών, σύνθετο ιξώδες, κανόνας Cox‐Merz. Αντοχή τήγματος.
Μονοκόχλιοι εκβολείς: Σχεδιασμός αντλίας τήγματος, υπολογισμός παροχής εκβολέα τροφοδοτούμενος με τήγμα, ροή Couette με ανθιστάμενη πίεση, σημείο λειτουργίας μονοκόχλιου εκβολέα, μεταφορά στερεού, κοχλίας με ανάγλυφο βαρέλι, τήξη πολυμερούς στον εκβολέα, άντληση τήγματος σε εκβολέα, δίνες Moffatt, κοχλίες ρυθμιζόμενου φραγμού, κοχλίες με στοιχεία ανάμειξης τύπου Maddock και Egan, διασπαρτική και κατανεμημένη ανάμειξη, υπολογισμός ισχύος, κοχλίες πολλαπλών ελικώσεων, υπολογισμοί και ανάλυση ενός τυπικού εκβολέα.
Κεφαλές εκβολής: (i) κεφαλές εκβολής επίπεδων φίλμ και φύλλων, σχεδιασμός κεφαλών επίπεδων φίλμ, πολυμερικά υλικά που χρησιμοποιούνται, (ii) κεφαλές εκβολής φίλμ με εμφύσηση, σχετικά πολυμερικά υλικά, βασικές αρχές σχεδιασμού κεφαλών φίλμ με εμφύσηση, σχήμα εμφυσημένου φίλμ από δακτύλιους συμπιεσμένου αέρα, (iii) συνεκβολή πολλαπλών στρώσεων σε κεφαλές εκβολής επίπεδου φίλμ και φίλμ με εμφύσηση, αστάθειες συνεκβολής λόγω ασυμβατότητας ιξώδους των στρώσεων, διεπιφανειακές αστάθειες, ανάλυση μονοδιάστατης ροής συνεκβολής, (iv) εκβολή σωλήνων και αγωγών, τύποι κεφαλών, σχηματισμός γραμμών συνένωσης, συσκευή ρύθμισης ακτίνας σωλήνα μετά την έξοδο από την κεφαλή, στεροποίηση σωλήνα, αγωγοί και σωληνώσεις τύπου σπιράλ, εξίσωση Barlow για περιφερική αντοχή σε ρήψη σωλήνα, (v) εκβολή τύπου προφίλ, μη εξισορροπημένη ροή, τύποι κεφαλών προφίλ
Διπλοκόχλιοι εκβολείς: αρχή λειτουργίας, τύποι κοχλίων, κοχλίες αποτελούμενη από
αποσπόμενα μέρη στο ίδιο κοχλία, ανάμειξη σε διπλοκόχλιους εκβολείς.

Προτεινόμενη Βιβλιογραφία :

• J. Vlachopoulos and N.D. Polychronopoulos, Understanding Rheology and Technology of Polymer
  Extrusion, First Edition, Polydynamics Inc, Dundas, Ontario, Canada (2019).
•  S. Middleman, Fundamentals of Polymer Processing, McGraw Hill (1977)
   R.B. Bird, R.C. Armstrong, O. Hassager, Dynamics of Polymeric Liquids vol. 1, Wiley (1987)
•  D.H. Morton‐Jones, Polymer Processing, Chapman and Hall, London (1989).
•  C.W. Macosko, Rheology: Principles, Measurements and Applications, VCH Publishers (1994).
•  J.M. Dealy, K.F. Wissbrun, Melt Rheology and its Role in Plastics Processing, Chapman and Hall,
  London (1996)
•  T.D. Papathanasiou and D.C. Guell, Flow Induced Alignment in Composite Materials, Woodhead Publishers (1997)
• Z. Tadmor, C.G. Gogos, Principles of Polymer Processing, John Wiley and Sons (2006)

Συναφή επιστημονικά περιοδικά:

• Journal of Rheology
• Rheologica Acta
• International Polymer Processing
• Polymer Engineering and Science
• Advances in Polymer Technology
• Journal of Polymer Science Part
• Polymer Physics
• Applied Rheology
• Macromolecules

Ελληνική

Διαλέξεις