Extrusion: The Definitive Processing Guide and Handbookby

Harold F. Giles, Jr. John R. Wagner, Jr. Crescent Associates, Inc. Rochester, New York Eldridge M. Mount, III EMMOUNT Technologies Fairport, New York

Copyright 2005 by William Andrew, Inc. No part of this book may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage and retrieval system now known or to be invented, without permission in writing from the Publisher. Cover Art 2005 by Brent Beckley / William Andrew, Inc. Plastics Design Library and its logo are owned by William Andrew, Inc. ISBN: 0-8155-1473-5

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Giles, Harold F. Extrusion : the definitive processing guide and handbook / by Harold F. Giles, Jr., John R. Wagner, Jr., Eldridge M. Mount, III. p. cm. Includes index. ISBN 0-8155-1473-5 (alk. paper) 1. PlasticsExtrusion. I. Wagner, John R. II. Mount, Eldridge M. III. Title. TP1175.E9G55 2004 668.413dc22 2004021199 Printed in the United States of America This book is printed on acid-free paper. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 This book may be purchased in quantity at discounts for education, business, or sales promotional use by contacting the Publisher. Published in the United States of America by William Andrew, Inc. 13 Eaton Avenue Norwich, NY 13815 1-800-932-7045 www.williamandrew.com www.knovel.com

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In memory of my dad, who accomplished more in his 56 years than most strive for in 100 years. To be half as good a father as he was would be a great achievement. I will never be able to teach people in my lifetime what my father taught me by example in one week. Love, Craig In honor of my father. His work in the plastics industry is but a snapshot of a life dedicated to his family. May his ingenuity, creativity, determination, perseverance, and passion be an inspiration for others. I love you Dad, Laura Husband, father, son, brother, friend, dedicated, hardworking, steadfast, persistent, determined, and nowauthor. Always willing to take on a new challenge, Harold approached each task with enthusiasm, integrity, and perseverance. His love for teaching and sharing his expertise was evident to everyone he came in contact with, from his home life to his work life. He was never too busy to stop and help. Remembering him always with love and admiration, Betty

PrefaceExtrusion processes have long been a staple of the plastics manufacturing industryso much so that the area has been neglected in contemporary reference literature in spite of the advances in applications and productivity that have been taking place in industry over the last decade. While a number of good books about extrusion processes exist, most are not practical for operators or for educational endeavors. The very basic books do not contain enough information to answer operators questions, and the more advanced books are too complicated. A number of books are very theoretical and not practical for engineers or mangers. Extrusion: the Definitive Processing Guide and Handbook is meant to fill this void in current and practical information. It consists of seven parts, in largely selfcontained modular format, that comprehensively and thoroughly cover basic and advanced thermoplastics processing in the extruder. This work is a practical guide, bringing together both equipment and materials-processing considerations. It can be used as a reference for operators, engineers, and managers, or in educational courses. The chapters include information about extrusion equipment, what is happening to the material in the extruder, the extrusion process, setting up temperature profiles, starting up the extruder, extruder operation, extruder safety, auxiliary equipment, troubleshooting, and coextrusion. Each chapter ends with a list of review questions to reinforce the topics. Many chapters have references for further reading. Application examples are employed throughout, and Part 7 is devoted to extended application illustrations of contemporary applications including compounding, blown film, wire coating, and monofilament. Certain parts of this book may best serve the information needs of particular manufacturing companies and university or other training courses. For example, companies concerned with polypropylene profiles would benefit from Parts 1, Single-Screw Extrusion, 3, Polymeric Materials, 4, Troubleshooting, and 7, Extrusion Applications. Companies producing nylon and polyester monofilament will be especially aided by the material in Part 5, Auxiliary Equipment. Companies engaged in compounding color concentrates on a corotating twin screw extruder will find Parts 2, Twin Screw Extrusion, 3, Polymeric Materials, 4, Troubleshooting, and 5, Auxiliary Equipment, of interest. And any company doing coextrusion work will be interested in most of the material throughout. Harold F. Giles, Jr., the primary author of this book, passed away before it was completed. It has been an honor and a privilege to bring Harolds work to completion. We have learned from him and we trust that others who read and study this comprehensive work will be able to profit from his understanding of extrusion processes too. Knowledge is the only thing one can give away and still retain. And in the giving, your own knowledge somehow increases. John R. Wagner, Jr. Eldridge M. Mount, III for Harold F. Giles, Jr. November 2004

Table of ContentsPart 1: Single Screw Extrusion1 Extrusion Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Raw Material Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Raw Material Blending and Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Feeding Polymer to the Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5.1 Shaping and Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5.2 Solidification and Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.3 Puller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 Secondary Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.7 Inspection, Packaging, and Shipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2 Extruder Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Hazards Associated with an Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Hazards Associated with Takeoff Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.2 Personal Protective Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 Lock-Out, Tag, and Clear Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Proper Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Inspection and Housekeeping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Material Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 3 Single Screw Extruder: Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2 Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3 Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Screw, Barrel, and Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.5 Die and Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6 Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.6.1 Temperature Zone Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.6.2 Melt Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.6.3 Pressure Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.6.4 On-Line Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.6.5 Control Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.7 Extruder Devolatilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.8 Vertical Extruders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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4 Plastic Behavior in the Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1 Feed Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 Polymer Melting or Plastication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Melt Conveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4 Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.5 Extruder Throughput Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.6 Devolatilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.7 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 5 Screw Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1 5.2 5.3 Barrier Screw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Mixing Screw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Screw Wear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.3.1 Worn Screws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.4 Screw Compression Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.5 Screw Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 6 Processing Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.1 Extruder Temperature Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.2 Extruder or Production Run Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.3 Start-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4 Steady-state Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.5 Shutdown and Product Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 7 Scale Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 8 Shear Rates, Pressure Drops, and Other Extruder Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.1 Shear Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.2 Extruder Screw Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.3 Calculations of Output in Different Sections of the Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

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Part 2: Twin Screw Extrusion9 Twin Screw Extrusion Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 9.1 Raw Material Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 9.2 Raw Material Blending and Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 9.3 Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9.4 Feeding Polymer to the Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.5 Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.5.1 Shaping and Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.5.2 Solidification and Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.5.3 Puller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.6 Secondary Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.7 Inspection, Packaging, and Shipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 10 Extruder Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 10.1 Hazards Associated with an Extruder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 10.1.1 Hazards Associated with Takeoff Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 10.2 Personal Protective Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 10.3 Lock-Out, Tag, and Clear Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 10.4 Proper Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 10.5 Inspection and Housekeeping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 10.6 Material Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 11 Twin Screw Extruder Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 11.1 Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 11.2 Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 11.3 Screw and Barrel Heating and Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 11.4 Die and Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 11.5 Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 11.5.1 Temperature Zone Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 11.5.2 Pressure Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 11.5.3 In-Line Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 11.5.4 Control Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 12 Plastic Behavior in Twin Screw Extruders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.1 Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.2 Plasticating and Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 12.3 Melt Conveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 12.4 Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 12.5 Downstream Feeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 12.6 Devolatilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 12.7 Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 12.8 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

X

12.9 Melt Pressure Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 12.10 Residence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 13 Screw Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 13.1 Conveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 13.2 Mixing Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 13.3 Screw Design Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 14 Processing Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 14.1 Extruder Temperature Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 14.2 Screw Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 14.3 Process Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 14.4 Extruder or Production Run Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 14.5 Start-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 14.6 Steady-State Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 14.7 Shutdown and Product Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 14.7.1 Disassembling Screw Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 14.7.2 Scenario #1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 14.7.3 Scenario #2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 14.7.4 Scenario #3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 14.7.5 Scenario #4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 14.7.6 Scenario #5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 14.7.7 Scenario #6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 14.7.8 Scenario #7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 14.7.9 Scenario #8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 15 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 15.1 Compounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 15.2 Reactive Extrusion and Devolatilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 15.3 Profile and Other Twin Screw Extrusion Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 16 Scale-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 17 Shear Rate, Pressure Drop, and Other Extruder Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 17.1 Shear Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 17.2 Extruder Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 17.3 Other Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163

XI

Part 3: Polymeric Materials18 Polymer Overview and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 18.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 18.2 Thermoplastic versus Thermoset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 18.3 Polymer Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 18.4 Molecular Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 18.5 Copolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 18.6 Polymer Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 19 Polymer Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 19.1 Amorphous Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 19.2 Semicrystalline Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 19.3 Comparison of Semicrystalline and Amorphous Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 19.4 Crystallinity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 19.5 Polyethylene Crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 19.6 Polypropylene Crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 19.7 Polystyrene Crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185 20 Polymer Rheology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 20.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 20.2 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 20.3 Viscosity in Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193 21 Testing Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 21.1 Density and Specific Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 21.2 Melt Flow Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 21.3 Tensile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 21.4 Flexural Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 21.5 Compressive Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 21.6 Heat Deflection Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 21.7 Long-Term Heat Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 21.8 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 21.9 Time-Temperature Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 21.10 Izod Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 21.11 Charpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 21.12 Comparative Thermoplastic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 21.13 Polymer Additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 21.14 Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204

XII

22 Processing Recommendations for Various Resin Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 22.1 Acrylonitrile Butadiene Styrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 22.1.1 Extrusion Temperature Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 22.2 Polyamide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 22.2.1 Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 22.2.2 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 22.2.3 Amorphous Polyamide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 22.3 Polyethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 22.3.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 22.4 Polymethyl Methacrylate (Acrylic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 22.4.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 22.5 Polypropylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 22.5.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 22.6 Polycarbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 22.6.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 22.7 Polystyrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 22.7.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 22.8 Polyvinyl Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 22.8.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 22.9 Polyester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 22.9.1 Extrusion Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219

Part 4: Troubleshooting the Extrusion Process23 Problem Solving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 24 Five Step Problem Solving Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 24.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 24.2 Fix the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 24.3 Identify the Root Cause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 24.4 Take Corrective Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 24.5 Process Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230 25 Design of Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 25.1 DOE Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 25.1.1 Defining the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 25.1.2 Plan the Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 25.1.3 Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 25.1.4 Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 25.1.5 Report Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 25.2 Experimental Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

XIII

25.3

Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 25.3.1 Factorial Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 25.3.2 Response Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 25.3.3 Mixture Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 References and Software Providers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244 26 Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 26.1 Statistical Process Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 26.2 Process Capability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250 27 Troubleshooting Mechanical Extrusion Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 27.1 Problem 1Extruder Screw Doesnt Turn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 27.2 Problem 2DC Motor Will Not Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 27.3 Problem 3Drive Train Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 27.4 Problem 4Rupture Disk Failure in Barrel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 27.5 Problem 5Barrel/Screw Wear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 27.6 Problem 6Screw Turns and No Material Exits the Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 27.7 Problem 7Extruder Shuts Itself Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 27.8 Problem 8Melt Flows Out the Barrel Vent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 27.9 Problem 9Leaking Polymer at Breaker Plate or Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 27.10 Problem 10Extruder Throughput Rate Is Lower than Anticipated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 27.11 Problem 11Temperature Overrides Setpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 27.12 Problem 12Extruder Surging Caused by the Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 27.13 Problem 13Poor or Insufficient Polymer Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 27.14 Problem 14Throughput Variation Over Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263 28 Troubleshooting Extrusion Product Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 28.1 Problem 1Product Surging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 28.2 Problem 2Variation in the Product Over Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 28.3 Problem 3Random Product Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 28.4 Problem 4Streaks in the Product Caused by Poor Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 28.5 Problem 5Variation in Product Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 28.6 Problem 6Product Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 28.7 Problem 7Dull Streaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 28.8 Problem 8Machine Direction Die Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 28.9 Problem 9Color Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 28.10 Problem 10Holes in Extrudate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 28.11 Problem 11Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 28.12 Problem 12Gauge Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 28.13 Problem 13Weld Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 28.14 Problem 14Weak Film or Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 28.15 Problem 15Warpage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

XIV

28.16 Problem 16Sink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279 29 Troubleshooting Sheet Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281 29.1 Mechanical Problems and Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 29.1.1 Problem 1Die Lip Damage Causing Defects in the Machine Direction . . . . . . . . . 281 29.1.2 Problem 2Chill Roll Adjustment or Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 29.1.3 Problem 3Product Variations Caused by the Puller Rolls or Winder . . . . . . . . . . . 284 29.1.4 Problem 4Static Charge Build-up on Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 29.1.5 Problem 5Other Equipment Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 29.2 Product Problems and Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 29.2.1 Problem 1Sheet Product Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 29.2.2 Problem 2Poor and/or Nonuniform Gloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 29.2.3 Problem 3Inferior Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 29.2.4 Problem 4Color Shift or Wrong Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 29.2.5 Problem 5Sheet Is Brittle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 29.2.6 Problem 6Surface Voids, Indentations, and Imperfections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 29.2.7 Problem 7High or Inconsistent Molecular Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 29.2.8 Problem 8Warped Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 29.2.9 Problem 9Thickness Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 29.2.10 Problem 10Lines and Roughness on Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294 30 Troubleshooting Cast Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 30.1 Problem 1Molten Web Tears Easily When Exiting the Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 30.2 Problem 2Film Thickness Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 30.3 Problem 3Lines, Streaks, and Foreign Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 30.4 Problem 4Extrudate Width Is Too Narrow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 30.5 Problem 5Wrinkles Are Formed in the Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 30.6 Problem 6Roughness on Film Due to Melt Fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300 31 Troubleshooting Blown Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 31.1 Problem 1Bubble Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 31.2 Problem 2Gauge Variation Around the Circumference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 31.3 Problem 3Wrinkles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 31.4 Problem 4Lines, Streaks, or Film Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 31.5 Problem 5Rough Film Due to Melt Fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306 32 Troubleshooting Profile and Pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 32.1 Problem 1Excessive Wall Thickness or Thinness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 32.2 Problem 2Wavy Surface Inside Pipe or Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 32.3 Problem 3Weld or Knit Line Weakness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 32.4 Problem 4Nonuniform Resin Velocity from a Profile Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .310

XV

Part 5: Auxiliary Equipment33 Feed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 33.1 Feed System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 33.2 Blending Systems for Single Screw Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 33.3 Feeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 33.3.1 Volumetric Feeder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 33.3.2 Gravimetric Feeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 33.3.3 Liquid Feeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .329 34 Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 34.1 Drying Definitions and Factors Affecting Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 34.2 Types of Drying Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 34.2.1 Oven Drying System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 34.2.2 Hopper Dryers and Central Drying Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 34.3 Purchasing a Dryer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339 35 Screen Changers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 35.1 Breaker Plate with Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 35.2 Manual Screen Changer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 35.3 Hydraulic Screen Changer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 35.4 Double Bolt Screen Changer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 35.5 Ribbon-Type Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 35.6 Rotary Disk Screen Changer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .348 36 Gear Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 36.1 Gear Pump System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 36.2 Drive and Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 36.3 Potential Gear Pump Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 36.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .356 37 Granulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .360 38 Chillers and Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 38.1 Chillers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 38.2 Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364

XVI

39 Screw Cleaning and Purge Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 39.1 Purge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 39.2 Mechanical Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 References and Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372

Part 6: Coextrusion40 Coextrusion Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 40.1 Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 40.2 Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 40.3 Pipe, Tubing, and Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 40.4 Wire Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 40.5 Large-Part Blow Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 References and Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .389 41 Feedblocks and Dies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 41.1 Feedblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 41.2 Multimanifold Dies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 41.3 Feedblock Combined with a Manifold Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 41.4 Computer-Aided Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 References and Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399 42 Polymer Selection for Coextrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 42.1 Melt Viscosity Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 42.2 Interfacial Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409 43 Troubleshooting Coextrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 43.1 Problem 1Nonuniform Cross or Transverse Direction (CD or TD) Layer Thickness . . . . . 411 43.2 Problem 2Nonuniform Machine Direction (MD) Layer Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 43.3 Problem 3Interfacial Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 43.4 Problem 4Repetitive Layer Thickness Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 43.5 Problem 5Layer Rearrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 43.6 Problem 6Layers Arent the Correct Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 43.7 Problem 7Poor Adhesion Between Layers in Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 43.8 Problem 8Structural Integrity Problems from Recycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 43.9 Problem 9Haze Level Is Higher than Anticipated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 43.10 Problem 10Product Discoloration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 43.11 Problem 11Gel or Lump Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 43.12 Problem 12Warpage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 43.13 Problem 13Regrind Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .423

XVII

Part 7: Extrusion Applications44 Compounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 44.1 Pelletizing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 44.2 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 References and Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433 45 Sheet and Cast Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 45.1 Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 45.1.1 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 45.1.2 Three-Roll Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 45.1.3 Puller Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 45.1.4 Windup or Stacker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 45.1.5 Thickness Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 45.1.6 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 45.2 Cast Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 45.2.1 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 45.2.2 Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 45.2.3 Film Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 45.2.4 Slitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 45.2.5 Gauging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 45.2.6 Winders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 45.2.7 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 References And Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .452 46 Blown Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 46.1 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 46.2 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 46.3 Blown Film Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 46.4 Winders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 46.5 Gauging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 46.7 Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .463 47 Extrusion Coating and Lamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .468 48 Wire and Cable Coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 48.1 Pretreatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 48.2 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 48.3 Downstream Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 48.4 Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .474

XVIII

49 Profile Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 49.1 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 49.2 Calibration and Cooling Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 49.3 Puller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 49.4 Cutters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483 49.5 Thermoplastic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .484 50 Pipe and Tubing Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 50.1 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 50.2 Cooling and Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 50.3 Puller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 50.4 Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 50.5 Scale-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 References and Photo Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .495 51 Monofilament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 51.1 Die . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 51.2 Quench Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499 51.3 Drawing Unit with Ovens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 51.4 On-Line Gauging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 51.5 Creel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 51.6 Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Supplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .502 52 Extrusion Blow Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 52.1 Parison Delivery System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 52.2 Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 52.3 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 52.4 Equipment Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512 53 Foam Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 53.1 Blowing Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 53.2 Downstream Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 53.3 Microcellular Foam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 References and Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .517 54 Solid Stock Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .521 55 Reprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523 Supplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .524 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

Part 1: Single Screw Extrusion

1 Extrusion ProcessThe extrusion of polymeric materials to produce finished products for industrial or consumer applications is an integrated process, with the extruder comprising one component of the entire line. In some applications the production lines are very long with numerous operations, requiring operators to communicate and work together to produce an acceptable finished product. If the extruder temperature profile is set incorrectly, the product ingredients are not properly formulated, the cooling on the extruder feed throat is not running properly, the melt temperature at the end of the extruder is incorrect, the cooling bath temperature is not set correctly, the puller at the end of the line is running at the wrong speed, or any other incorrect operating condition or combinations of conditions, the product may not meet customer specifications. Each step in the process adds value; consequently, the desired product property profile. Some resin systems must be dried prior to extrusion to eliminate polymer degradation due to moisture. Other resins, which do not normally require drying, may have to be dried if they are stored in a cold warehouse and brought into a warm environment, causing moisture to condense on the surface of the pellets, flake, or powder. Once the polymer or blend is properly dried and ingredients mixed, the formulation is fed to the extruder, where it is melted, mixed, and delivered to the die to shape the extrudate. After exiting the die, the product is cooled and solidified in the desired shape and pulled away from the extruder at constant velocity to attain the appropriate cross section. Secondary operations, i.e., flame treatment, printing, cutting, annealing, etc., can be done in line after the puller. Finally, the product is inspected, packaged, and shipped.

Figure 1.1. Basic extrusion process schematic.

product reaches its maximum value at the end of the line. An improper setting at the beginning of the process may cause the product to be unacceptable at the end of the line after significantly more value has been added. Speeds of the different process steps must be matched to ensure product compliance. The extrusion process is shown in Figure 1.1. Polymeric material is received, inspected, and stored. Prior to extrusion, the polymer may be blended with additives (stabilizers for heat, oxidative stability, UV stability, etc.), color pigments or concentrates, flame retardants, fillers, lubricants, reinforcements, etc., to produce the

The different parts of the process are discussed in more detail in this chapter.

1.1

Raw Material Supply

Polymer resin is shipped in different size containers depending on the quantity ordered, the processors handling and storage capability, and the way the extruder is fed. Small lots are shipped in 50- or 55-pound bags, and large lots are shipped by tanker truck or rail. Table 1.1 shows different shipping methods. Plastic pellets can be

2

SINGLE SCREW EXTRUSION material is used, the processor should be able to identify any raw material inconsistencies immediately to minimize operating losses. Critical raw material properties for a particular application need to be identified and characterized so incoming materials are tested only for the properties that affect the final part performance. Critical properties may be viscosity, long-term heat aging, color, tensile properties, or other parameters, depending on particular end-use application.

Table 1.1. Plastic Packaging Package Size, Pounds 5055 300 1,000 4,000 40,000 150,000220,000 Type Package Bags Fiber Pack Gaylord Bulk Pack Hopper Truck Rail Car

1.2

Raw Material Blending and Mixing

air- or vacuum-conveyed around the plant to storage containers or the extruder hopper. Pellets conveyed between storage silos, dryers, surge hoppers, and extruder hoppers must be in dedicated or properly cleaned lines to prevent product cross-contamination. All lines must be properly grounded to eliminate static electricity build-up during the resin transfer process. Raw materials stored in warehouses without environmental controls (lack of heat or cooling) need to be brought to room temperature prior to extrusion. If the raw material temperatures vary between summer and winter, the polymer melting or softening point in the extruder will occur at a different location, leading to different melt viscosities, extrudate flow, and possible product inconsistency from season to season. Assume the raw material temperature is 50F (10C) in the winter and 80F (26C) in the summer. Additional heat must be added to the raw material during the winter months, either by a hopper dryer, allowing the polymer to come to equilibrium at room temperature, or by adding additional heat in the first zones to ensure the polymer is melting or being plasticated in the transition zone. Due to the insulative nature of polymers, a significant time period is required to heat cold pellets that sat in a cold warehouse or in a cold truck to room temperature. Storing raw materials in a hot environment over an extended time can lead to consuming the polymer stabilization package. Most thermal stabilization packages are consumed over time as the polymer is heated. While thermal degradation happens fairly rapidly at elevated temperatures in the presence of oxygen, degradation continues at a slower rate at elevated temperatures (above room temperature but below the melting or softening temperature). Stock should be rotated to minimize long-term thermal degradation. Many raw materials are accepted from vendors based on a certificate of compliance. Good procedures dictate that incoming raw materials be periodically tested and a database of critical polymer properties be established. Most internal extrusion problems are not the result of raw material variations; however, in the event the wrong raw

Depending on the product requirements, some preblending or ingredient mixing may be required prior to extrusion. (Blending and mixing are covered in more detail in Part 5, Auxiliary Equipment.) Unless a single polymeric material is being added to an extruder, the best way to combine different raw materials and keep them uniformly distributed prior to entering the extruder feed throat depends on different factors. Some factors to consider are Separation of powder and pellets Uniform distribution of additives introduced at low concentrations Separation of ingredients in flood fed hoppers Proper mixing Introduction of different levels of regrind and/or the effect of regrind particle size Addition of liquid additives to a single screw extruder Uniform distribution of powder/powder blends The best way to meter materials and guarantee uniform component distribution is to gravimetrically feed each component with different feeders directly above the extruder feed throat. Assuming there are enough space and feeders to accommodate the various components in the formulation, gravimetric or loss-in-weight feeding ensures each component is added in the correct proportion, while addition directly above the feed throat minimizes any ingredient segregation. The downside of this approach is the cost of gravimetric feeders, the space required if there are more than four or five components, and if different size feeders are required. Assuming some components are added in very low concentrations (15%), the feeder size, feeder accuracy, and material (powder, pellets, flake, free-flowing versus compressive powder, fiber, etc.) being fed are critical to the feeder performance. If all feeders are properly sized, designed for the materials being fed (single screw feeder, twin screw feeder, vibratory, weigh belt, etc.), and there is enough

EXTRUSION PROCESS room to use a gravimetric feeder for each component, multiple feeders is the best method to ensure a repeatable, uniform formulation is being introduced to the extruder. In many applications, a feeder is not available for each ingredient, requiring preblending. Blending depends on the ingredients being mixed and the way material is handled after blending and prior to extrusion. Assume pellets A and B are approximately the same size and are required to be premixed; proper concentrations of A and B are individually weighed and added to low intensity blending systems. Typical low intensity blending systems include tumble blenders (wide range of sizes), Vcone blender, ribbon blender, cement mixer, drum roller, or paint shaker for small lots. The same equipment can be used to mix pellets and powder. However, pellets and powder are more likely to separate when transporting the blend or loading it to a feed or extruder hopper after the blending is complete. The powder can flow between the pellets; consequently, at the beginning of an extrusion run the product may be rich in the powder component, while at the end of the extrusion run the product may be rich in the pellet component. One method to minimize this separation is to coat the pellets with a small amount of liquid such as mineral oil to provide a surface to which the powder can adhere. Of course, experimentation is required to verify the mineral oil does not affect the final product properties or performance. Powder/powder blends can be mixed either in low intensity mixers described above or in high intensity mixers. High intensity mixers operate on the same principle as kitchen blenders. A mixing blade rotates at high speed, forming a vortex in the blender as it mixes the components. Due to the intense mixing, heat is generated and care must be taken not to melt the blend components. High intensity blenders may be jacketed to heat components or remove heat during the blend cycle. With PVC, heat softens the particle surface, allowing the heat stabilizers and plasticizers to adhere to the surface. Powder/ powder blends, once properly mixed, tend not to separate during transfer, assuming the particle sizes of the different components are similar. Uniform additive addition at low concentrations creates a mixing and blending challenge. Obviously, the best method is to feed each component directly into the feed stream with a small gravimetric feeder. However, this is not always practical or feasible. An alternative approach is to mix the additive (assume its a powder) with some resin powder being used in the formulation and produce a masterbatch on a high intensity mixer. As an example, assume two additives, C and D, must be added at 0.5% and 0.08%, respectively, to resin B to produce a profile of material Z. A blend or masterbatch is produced by combining resin powder B with high concentrations of C and D and letting that blend down in an individual feeder. The

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masterbatch is added using feeder #1, and pellets of B are added via feeder #2 to produce the correct ingredients ratio in the final product. A 100-pound masterbatch is produced containing 10 pounds (10%) of component C, 1.6 pounds (1.6%) of component D, and 88.4 pounds (88.4%) of resin B. This masterbatch is let down in a 19:1 ratio, with resin B feeding at a 190 lbs/hr rate and the masterbatch feeding at a 10 lbs/hr rate to produce the correct additive ratio in the final product Z. If components C and D were fed directly to the extruder at 0.5% and 0.08%, the feed rate for each component would be 1.0 lbs/hr for component C, 0.16 lbs/hr of component D, and 198.84 lbs/hr of resin B to produce a 200-lbs/hr rate of product Z. Using a masterbatch makes feeding small concentrations of ingredients uniformly more practical. The addition of a liquid colorant or other additive to a single screw extruder can be difficult. If the liquid is added in low concentration, it can be preblended with pellets in a tumble blender, ribbon blender, etc. Liquid can be introduced into the feed throat with a liquid feed pump, assuming the liquid does not create extruder feed problems due to pellet slippage on the barrel wall. It is critical to monitor the liquid feed rate very carefully. When using a gravimetric or loss-in-weight liquid feed pump, the pump rpm changes to keep the gravimetric feed rate constant. However, assume a volumetric liquid feed pump is being used (runs at constant rpm); the feed rate is dependent on the liquid temperature, which affects its viscosity and consequently the feed rate. Initially, a volumetric liquid feed pump must be calibrated and a graph generated showing motor rpm versus output rate in lbs/hr. On the same graph, throughput rate curves versus motor rpm curves need to be generated at different temperatures. If the liquid temperature changes during the run, the feed rate will vary and the liquid concentration will change over time. Assuming the liquid additive and feed pump are close to the extruder, it is possible the liquid temperature may increase during the run as the ambient temperature in the room increases due to the heat generated by the extruder. This results in an increase in the liquid feed rate and the wrong product formulation, unless the liquid feed pump rpm is changed to compensate for the temperature change or a gravimetric liquid feed pump is being used. An alternative to feeding liquid into the feed throat is to pump the liquid into a two-stage extruder vent port. Modifying the vent port to accept a liquid injection nozzle connected to the liquid feed pump and a two-stage screw to accept the extra volume are the changes required. This approach eliminates the potential for feed problems associated with pellet slippage on the barrel wall in the feed zone due to the liquid. Feeding downstream does m