Manufacture and Testing of Two-Axis Powder Mixer That can be Used in Polymer Composite Production

Abstract

In industrial applications, the aim is to obtain products with a homogeneous structure and the same quality with the mixing process. Mixing homogeneity differs depending on the type of mixer and mixing parameters. In this study, a two-axis cube powder mixer that can be used in polymer composite production was manufactured and tested. In the mixing process, powder PLA (polylactic acid) and carbon fiber powder by 5%, 10% and 15% weight ratios were used. Tensile test specimens were produced through injection molding using the prepared mixtures. The homogeneity of the mixtures was determined by interpreting the behavior of the samples under load and Scanning Electron Microscope (SEM) images. In addition, mixing processes, tensile tests, and SEM analyses were repeated for Turbula, whose efficiency in mixing is known. The efficiency of the cube mixer was determined by comparing the tensile test results and SEM images obtained for both devices. When the SEM images were compared, it was seen that the fiber distribution in samples prepared with a cube mixer, especially at 10% and 15% carbon fiber powder ratios, was more uniform than the samples prepared with Turbula. In addition, when the load-displacement behaviors of the samples were examined, it was concluded that the cube mixer was more successful than Turbula in the production of stable samples in terms of mechanical properties.

Keywords

• Cube powder mixer
• Turbula
• PLA
• carbon fiber powder
• SEM
• mechanical properties

Polimer Kompozit Üretiminde Kullanılabilecek İki Eksenli Toz Karıştırıcı İmalatı ve Test Edilmesi

Abstract

Endüstriyel uygulamalarda, karıştırma işlemi ile homojen yapıya sahip ve aynı kalitede ürünlerin elde edilmesi amaçlanır. Karışımın homojenliği, karıştırıcının çeşidi ve karıştırma parametrelerine bağlı olarak farklılık gösterir. Bu çalışmada, polimer kompozit üretiminde kullanılabilecek, iki eksenli küp toz karıştırıcı imal ve test edilmiştir. Karıştırma işleminde, toz PLA (Polilaktik asit) ve ağırlıkça %5, %10 ve %15 oranlarında karbon elyaf tozu kullanılmıştır. Hazırlanan karışımlar kullanılarak, enjeksiyon kalıplama ile çekme test numuneleri üretilmiştir. Numunelerin yük altıdaki davranışları ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri yorumlanarak karışımların homojenliği belirlenmiştir. Ayrıca, karıştırmada etkinliği bilinen Turbula da karıştırma işlemleri, çekme testleri ve SEM analizleri tekrar edilmiştir. Küp karıştırıcı ve Turbula için elde edilen çekme test sonuçları ve SEM görüntüleri karşılaştırılmış ve küp karıştırıcının etkinliği belirlenmiştir. SEM görüntüleri karşılaştırıldığında, özellikle %10 ve %15 karbon elyaf tozu oranlarında, küp karıştırıcı ile hazırlanan numunelerde fiber dağılımının, Turbula ile hazırlanan numunelere oranla daha üniform olduğu görülmüştür. Ayrıca, numunelerin yük-yer değiştirme davranışları incelendiğinde, mekanik özellikler açısından kararlı numune üretiminde, küp karıştırıcının Turbulaya göre daha başarılı olduğu sonucuna varılmıştır.

Keywords

• Küp toz karıştırıcı
• Turbula
• PLA
• karbon elyaf tozu
• SEM
• mekanik özellikler

References

1. Marigo, M., Cairns, D. L., Davies, M., Ingram, A., Stitt, E. H. 2012. A numerical comparison of mixing efficiencies of solids in a cylindrical vessel subject to a range of motions. Powder technology, Cilt. 217, s. 540-547, DOI: 10.1016/j.powtec.2011.11.016.
2. Bellon, C., Truffer, C., Steiner, A., Moreillon, A., Nicolay, L. 2013. Mixing effectiveness of a new pneumatic PTS-Batchmixer® with an in-line sampling device. Advanced Powder Technology, Cilt. 24(1), s. 43-50, DOI: 10.1016/j.apt.2012.01.008.
3. Mayer-Laigle, C., Gatumel, C., Berthiaux, H. 2015. Mixing dynamics for easy flowing powders in a lab scale Turbula® mixer. Chemical Engineering Research and Design, Cilt. 95, s. 248-261, DOI: 10.1016/j.cherd.2014.11.003.
4. Fan L.T. 2001. Bulk-solids mixing: overview. ss. 647–658. Levy A., Kalman, H., ed. 2001. Handbook of Conveying and Handling of Particulate Solids,. Elsevier Science , 870s.
5. Williams, J. C., 1968. The mixing of dry powders. Powder Technology, Cilt. 2(1), s. 13-20, DOI: 10.1016/0032-5910(68)80028-2.
6. Lacey, P. M. C. 1954. Developments in the theory of particle mixing. Journal of applied chemistry, Cilt. 4(5), s. 257-268, DOI: 10.1002/jctb.5010040504.
7. Hogg, R. 2009. Mixing and segregation in powders: evaluation, mechanisms and processes. KONA Powder and Particle Journal, Cilt. 27, s. 3-17, DOI: 10.14356/kona.2009005.
8. Venables, H. J., Wells, J. I. 2001. Powder mixing. Drug development and industrial pharmacy, Cilt. 27(7), s. 599-612, DOI: 10.1081/DDC-100107316.

9. Marigo, M., Cairns, D. L., Davies, M., Ingram, A., Stitt, E. H. 2011. Developing mechanistic understanding of granular behaviour in complex moving geometry using the Discrete Element Method: Part B: Investigation of flow and mixing in the Turbula® mixer. Powder technology, Cilt. 212(1), s. 17-24, DOI: 10.1016/j.powtec.2011.04.009.
10. Xiao, X., Tan, Y., Zhang, H., Jiang, S., Wang, J., Deng, R., Wu, B. 2015. Numerical investigation on the effect of the particle feeding order on the degree of mixing using DEM. Procedia engineering, Cilt. 102, s. 1850-1856., DOI: 10.1016/j.proeng.2015.01.323.
11. Cho, J., Zhu, Y., Lewkowicz, K., Lee, S., Bergman, T., Chaudhuri, B. 2012. Solving granular segregation problems using a biaxial rotary mixer. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Cilt. 57, s. 42-50, DOI: 10.1016/j.cep.2012.04.002.
12. Brone, D., & Muzzio, F. J. 2000. Enhanced mixing in double-cone blenders. Powder Technology, Cilt. 110(3), s. 179-189, DOI: 10.1016/S0032-5910(99)00204-1.
13. Marigo, M., Davies, M., Leadbeater, T., Cairns, D. L., Ingram, A., Stitt, E. H. 2013. Application of Positron Emission Particle Tracking (PEPT) to validate a Discrete Element Method (DEM) model of granular flow and mixing in the Turbula mixer. International journal of pharmaceutics, Cilt. 446(1-2), s.46-58, DOI: 10.1016/j.ijpharm.2013.01.030.
14. Product Data Sheet Luminy® L175. 2017. https://www.total-corbion.com/media/eushodia/pds-luminy-l175-190507.pdf (Erişim Tarihi: 17.03.2021).
15. Karbon Elyaf Tozu 100-400 micron. 2021. https://www.kompozitshop.com/karbon-elyaf-tozu-100-400-micron-500gr (Erişim Tarihi: 17.03.2021).
16. Wang, G., Zhang, D., Wan, G., Li, B., Zhao, G. 2019. Glass fiber reinforced PLA composite with enhanced mechanical properties, thermal behavior, and foaming ability. Polymer, Cilt. 181, s. 1-9, DOI: 10.1016/j.polymer.2019.121803.
17. Jonoobi, M., Harun, J., Mathew, A. P., Oksman, K. 2010. Mechanical properties of cellulose nanofiber (CNF) reinforced polylactic acid (PLA) prepared by twin screw extrusion. Composites Science and Technology, Cilt. 70(12), s. 1742-1747, DOI: 10.1016/j.compscitech.2010.07.005.
18. Bai, T., Zhu, B., Liu, H., Wang, Y., Song, G., Liu, C., Shen, C. 2020. Biodegradable poly (lactic acid) nanocomposites reinforced and toughened by carbon nanotubes/clay hybrids. International journal of biological macromolecules, Cilt. 151, s. 628-634, DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.02.209.
19. Anwer, M. A., Naguib, H. E. 2016. Study on the morphological, dynamic mechanical and thermal properties of PLA carbon nanofibre composites. Composites Part B: Engineering, Cilt. 91, s. 631-639, DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.01.039.