НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
ДВОЙНОС Ярослав Григорович
УДК 678.027.3
Спеціальність 05.05.13 – машини та апарати хімічних виробництв
Процеси переробки композиційних матеріалів екструзійним методом.
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 1999
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано в Національному технічному університеті України “Київський політехніч¬ний інститут”
Наукові керівники: доктор технічних наук, професор
Радченко Леонід Борисович
Офіційні опоненти:
Яхно Олег Михайлович
доктор технічних наук, професор
НТУУ “КПІ”, Міносвіти
кандидат технічних наук, с.н.с.
Ануфрієв Валерій Олександрович
ВАТ “Укрндіпластмаш”, м. Київ
Мінпромполдітимки
Провідна організація: Державна академія легкої промисловості України, Міносвіти
Захист відбудеться ” 14 ” червня 1999 року о 14-30 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 252056, Київ-56, просп. Перемоги, 37, корп. 21, ауд. 212.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”.
Автореферат розісланий ” 13 ” травня 1999 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05,
кандидат технічних наук, професор Круглицька В.Я.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Використання полімерних композиційних матеріалів в господарській діяльності має велике значення. У чис¬тому вигляді полімери не завжди мають заданий комплекс властивостей, що потребує введення відповідних добавок (пластифікаторів, фарбників, стабілі¬заторів і т.ін.), які забезпечують необхідні експлуатаційні якості виробів. У зв’язку з цим частка компози¬ційних матеріалів у загальному об’ємі полімерних мате¬ріалів зростає швидкими темпами. Різною комбі¬нацією полімерів та наповнювачів можуть бути одержані ма¬теріали, які задовольняють заданим вимогам. Використання наповнювачів дозволяє таким матеріалам з ус¬піхом конку¬рувати за ціною та якістю з чистими поліме¬рами і іншими матеріалами. Є і позитивний екологічний аспект використання полімерних композиційних матеріалів – економія чистих полімерів, виробництво яких забруднює навколишнє середовище, а також використання у виробництві композиційних матеріалів відходів інших виробництв як наповнювачів та вторинних полімерів, що робить збір та утилізацію полімерних відходів економі¬чно рентабельними. Зараз створюються техноло¬гічні процеси їх одержання, розроблюються наукові основи конструю¬вання машин для виробництва полімер¬них композицій та виробів із них.
Одним із найбільш поширених та перспективних технологічних процесів для одержання та переробки полі¬мерних композиційних матеріалів є черв’ячна екстру¬зія. Черв’ячні екструдери, як правило, забезпечують достатню якість змішення та тиск формування. Важливою перевагою є безперервність процесу.
Виробництво поліолефінових листів із наповнювачем на основі деревного борошна завоювало міцні позиції на світовому ринку, що пов’язано з використанням цього матеріалу в автомобілебудуванні та в упаковці. Процес змішення при екструзії є визначальним для якості виробу. Вибір устаткування має керуватися двома концепціями: з одного боку, якість суміші повинна задовльнити вимоги до виробу, а з іншого не¬рентабельно платити за якість, яка перевищує потрібну. Разом з цим відомо, що добре змішана композиція з меншим вмістом коштовного полімеру за якістю може не поступатись погано змішаній, але з більшим вмістом полімеру. Таким чином, витрати, повя’зані з підвищенням якості змішення, частково компен-суються економією полімеру. З цього можна зробити висновок, що для раціонального проектування но¬вого екструзійного устаткування необхідне надійне визначення залежності споживчих якостей виробу від умов його одержання.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпосредньо пов’язана з науковими держбюджетними темами: “Дослідження процесу одержання дерево-полімерних виробів із вторинних матеріалів” (Звіт НДР/Київский політехнічний інститут, ДР№018890053734, 1989.- 68 с.); “Дослідження процесу переробки композиційних полімер-містких матеріалів та розробка техноло¬гії одержання з них листів” (Звіт НДР/Київский політехнічний інститут, інв. №5232/07, 1993.- 82 с.). Теми виконувались з метою одержання зразків, відпрацювання технології та устаткування для виробництва профільно-погонажних виробів і листів із дерево-наповнених полімерів.
Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка нової методики інженерного розрахунку одно- та двочерв’ячного екструзійного устаткування для переробки композиційних матеріалів у вироби, вивчення властивостей найбільш поширеної дерево-поліетиленової композиції, а також створення устаткування для її переробки.
Для досягнення мети роботи вирішувалися такі задачі дослідження:
1. Створення алгоритму та програми розрахунку реологічних па¬раметрів розплаву композиції за даними віскозиметричних досліджень з урахуванням ступені наповнення та аналітичним або чисельним (табличним) поданням одержаних результа¬тів.
2. Створення експериментальної установки та проведення на ній віскозиметричних досліджень дерево-поліетиленової ком¬позиції з різним ступенем наповнення та чистого полімеру з відомими реологічними параметрами.
3. Розрахунок за допомогою розробленої програми реологічних параметрів композиції та чистого полімеру, порівняння останніх з відомими у літературі для оцінки правильності мето¬дики вимірювань та розрахунків.
4. Розробка узагальненої математичної моделі, алгоритму та програми розрахунку процесу течії неньютонівської рідини в робочих органах одно- та двочерв’ячних екструдерів.
5. Створення експериментальної установки на базі одночерв’ячного екструдера, методики вимірювань та проведення експериментальних досліджень процесу течії розплаву полімеру в каналі чер¬в’яка. Виконання розрахунку пара¬метрів течії за заданими умовами відповідно до екс¬перименту. Порівняння одержаних теоретичним та експери¬ментальним шляхами результатів з метою перевірки адекватності розробленої моделі.
6. Створення експериментальної установки на базі двочерв’ячного екструдера, методики вимірювань та проведення експериментальних досліджень процесу течії розплаву полімеру в каналах чер¬в’яків. Здійснення моделювання експериментальних умов с метою порівняння результатів теоретичних та експериментальных досліджень.
7. Розробка алгоритму та програми розрахунку параметрів змішення в каналах одночервя’чного екструдера на основі розрахованої гідродинаміки процесу течії. Експериментальна перевірка алгоритму та програми розрахунку.
8. Створення методики та алгоритму розрахунку процесів дозування-гомогенізації в одно- та двочерв’ячному екструдерах з використанням розроблених програм, з можливістю визначення енергосилових параметрів та показників якості розплаву в залежності від довжини екструдера.
9. Перевірка можливості використання одночерв’ячної екструзії для підготовки розплаву дерево-полімерної композиції і розробка устаткування.
10. Використання результатів досліджень при створенні екструдера для лінії по виробництву деревонаповнених виробів, яка впроваджена на ВФ “Композит” Житомирського облпостачу.
Наукова новизна одержаних результатів. Розроблена узагальнена математична модель, алгоритм та програма розрахунку процесу дозування-гомогенізації в робочих органах одно- та двочерв’ячних екструдерів, в якій відомі диференційні рівняння та граничні умови подано у вигляді цільової функції, яка розв’язана методами оптимізації. При цьому компоненти тензора швидкостей деформаціі визначаються з відповідних компонент тензора напруги, значення другого інваріанту тензора напруги та реологічних властивостей розплаву в залежності від температури та ступені наповнення, які можуть задаватись в аналітичній або табличній формі.
Для реалізації моделі розроблені алгоритм та програма обробки даних капілярної віскозиметрії, проведені експериментальні дослідження реологічних властивостей дерево-наповнених полімерів та їхня обробка. Розроблені математична модель, алгоритм та програма розрахунку процесу змішення в каналі черв’яка одночерв’ячного екструдера з визначенням траекторій руху множини моделюючих часток та візуалізацією їх на екрані комп’ютера, а також розрахунок інтегральных параметрів якості змішення.
Виконана експериментальна перевірка розроблених моделей. Проведені дослідження фізико-механічних властивостей наповненого поліетилену высокого тиску (ПЕВТ) та поліпропілену (ПП).
Практичне значення одержаних результатів. Створено методику та алгоритм розрахунку процесів дозування-гомогенізації в одно- та двочерв’ячному екструдерах з використанням розроблених програм, які дають змогу визначити енергосилові параметри та показники якості розплаву в залежності від довжини екструдера і на основі розрахунків вибрати технологічну схему підготовки розплаву та розрахувати оптимальну геометрію робочих органів та режимів переробки, за яких досягається потрібна якість змішення і диспергуючого змішення.
Результати досліджень використано при розробці двочерв’ячного екструдера ЧПВ2Сп90ч15, індекс 513126, у складі лінії для виробництва дерево-полімерних листів ЛДПЛ-1000, індекс 591161, яка виготовлена на ВАТ “Більшовик”, м. Київ, та впроваджена на ВФ “Композит” Житомирського облпостачу, де виготовляються листи товщиною 210мм та шириною 1000 мм з наповненням по масі до 55 %, та продуктивністю до 150 кг/год. Розроблено конструкції вузла введення розплаву та спеціального одночерв’ячного екструдера, який виконує функції розплавлювача та змішувача. Оригінальність конструкцій підтверджена двома патентами України, вони використані при проектуванні на ВАТ “Більшовик” лінії для виробництва профільно-погонажних виробів з деревопластів із наповненням до 80%, індекс 513137, та лінії для виробництва профільно-погонажних виробів із дерево- та паперопластів з наповненням до 80%, індекс 591171-0-03.
Науковий напрямок роботи: моделювання процесів дозування-гомогенізації в одно- та двочерв’ячному екструдерах з урахуванням двомірності гідродинаміки, неньютонівської поведінки розплаву, неізотермічності та розрахунком процесів змішення, оцінкою диспергуючого змішення.
Особистий внесок автора в роботу. Всі основні результати дисертації одержані самим автором. Результати досліджень, виконаних у співавторстві, одержані при безпосередній участі автора на всіх етапах роботи. Особистий внесок автора в одержаних результатах дисертації полягає в постановці мети та задач дослідження, створенні методики та проведенні експериментів, участь у впровадженні результатів роботи у виробництво.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічній конференції “Конструирование и производство изделий из полимерных и металлических композиционных материалов” (Євпаторія, 1993); науковій конференції “Синтетические смолы и пластмассы. Технология производства и применение в отраслях промышленности” (Скол, 1995); науковій конференції “Композиционные материалы в высокоэффективных технологиях механосборочного производства” (Алушта, 1997); міжнародній конференції “Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых” (Одеса, 1997).
Публікації. Основний зміст роботи відображено у 10 наукових працях, в тому числі в 3 статтях, 3 патентах на винаходи, 1 доповіді на конференції, 3 тезах доповідей.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатків. Обсяг дисертації становить 152 сторінки, включає 9 таблиць, 64 рисунки і бібліографію (110 найменувань). Додатки мають об’єм 44 сторінки та складають окрему частину.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У першому розділі подано критичний аналіз сучасних методик розрахунку зони дозування-гомогенізації черв’ячних екструдерів, огляд методів подання вихідних даних для розрахунку, зокрема реологічних параметрів. Приділено увагу ефекту просковзування розплаву на стінках каналу – він настає для поліетилену високого тиску при швидкості зсуву біля 6080 с-1 і мало залежить від температури. Розглянуто різні методи моделювання процесу змішення в робочих органах екструдерів та оцінки змішення в готових виробах. Наведено умови та механізми диспергуючого змішення. Висновки розділу визначають мету, напрямки, та задачі досліджень.
У другому розділі міститься опис експериментального обладнання, методики вимірювань, алгоритму та програми розрахунку реологічних параметрів розплаву деревонаповненого поліетилену високого тиску. Використання спеціального обладнання на базі каскадного екструдера, рис.1, виправдано великими розмірами частинок наповнювача, а також можливістю досліджувати реологічні властивості розплаву різного ступеня готовності. Використовувалась відома метода проведення експерименту з двома соплами, що дозволило врахувати входові ефекти, які здебільшого зумовлені переорієнтацією частинок наповнювача. Для обробки результатів віскозиметричних досліджень розроблені алгоритм і програма обчислень, в яких використано рівняння Вайсенберга-Рабіновича, і вони дозволяють подати результати в аналітичній або табличній формі у вигляді залежності швидкості деформації від напруги в умовах простого зсуву в капілярному віскозиметрі. Програма розрахунку дозволяє отримати реологічні залежності в трьох вимірах, рис. 2 (третій вимір – концентрація наповнювача).
Для використання даних, отриманих в умовах простого зсуву в капілярному віскозиметрі для умов складного зсуву, залежність швидкості простого зсуву від напруги простого зсуву представлено як залежність інваріантів тензорів:
із постулату Ільюшина витікає, що співвідношення відповідних компонентів тензора швидкостей деформаціі і тензора напруги визначається співвідношенням інваріантів цих тензорів.
Враховуючи це, компоненту тензора швидкостей деформаціі можна визначити з відповідної компоненти тензора напруги і інваріанта тензора напруги, використовуючи отримані реологічні залежності:
де f(I,T,C) – функція, яка визначає відношення інваріантів тензорів в залежності від інваріанта тензора напруги, температури і концентрації наповнювача. Відношення інваріантів тензорів напруги і швидкостей деформаціі – це аналог в’язкості для ньютонівської рідини. При використанні степеневої залежності :
Обернена залежність:
Остаточно маємо:
На рис. 2, як приклад, наведено розраховані реологічні параметри в залежності від концентрації наповнювача і швидкості зсуву. Коефіцієнт консистентності при температурі T=4530K- K=1300; T=4730K- K=2100 для чистого поліетилену, ступінь неньютонівської поведінки майже не залежить від температури.
Залежність коефіцієнта консистентності і ступеня неньютонівської поведінки від концентрації наповнювача наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Ступінь наповнення за масою, % 0 21,
21,
47,
47,
K 2100 2300 19000 10200 83000
n 0,75 0,914 0,478 0,794 0,216
Дослідження реологічних параметрів створило умови для точного моделювання подальших експериментальних досліджень.
У третьому розділі сформульовано узагальнену математичну модель течії неньютонівської рідини у робочих органах одно- та двочерв’ячних екструдерів, розроблено алгоритм та програму розрахунку, в яких для розв’язання рівнянь гідродинаміки використано новий підхід (Воскресенский А. М., Войцеховский В. Б., Коугия Ф. А. Моделирование переработки в одночервячных машинах полимеров с произвольной аномалией вязкости// Химическое и нефтяное машиностроение.- 1995.- №1.- С. 13-17., запропанований в роботі). Для його реалізації рівняння руху, нерозривності та граничні умови приведені до вигляду цільової функції:
яка розв’язується методами оптимізації. Функції F1-F4 мають вигляд:
де f – функція, яка визначається із результатів реологічних досліджень. Замість температури і концентрації наповнювача введено координату y – по висоті каналу, для якої за визначеними полями концентрацій і температур знаходиться концентрація і температура на цій координаті. Значення А1-А4 залежать від граничних умов та продуктивності екструдера і дорівнюють відповідно для одночерв’ячного екструдера:
для двочерв’ячного екструдера:
де Vbx – швидкість руху потоку у пристінному до корпуса шарі розплаву впоперек каналу; Vbz – швидкість руху потоку у пристінному до корпуса шарі розплаву вздовж каналу; Vzниз – швидкість руху потоку у пристінному до черв’яка шарі розплаву вздовж каналу; Gу – масова витрата потоку втрат.
Функції у знаменнику рівнянь (7)-(10) залежать від реологічних властивостей розплаву, які, як згадувалось раніше, визначаються на основі віскозиметричних досліджень і задаються в аналітичному або табличному вигляді. Критерієм оптимізації є мінімум цільової функції.
Для вибору методу оптимізації було досліджено цільову функцію у двомірному вигляді методом сканування з наступним поворотом та масштабуванням осей координат, рис. 3. Функція є рівномірною з єдиним мінімумом. Остаточно обрано модифікований метод Гауса-Зейделя. Змінними параметрами є значення напруги зсуву у пристінному до черв’яка шарі розплаву і градієнти тиску вздовж та впоперек каналу. Разом із припущенням про лінійність епюр компонент тензора напруги у каналі ці параметри визначають епюри напруги по висоті каналу, з яких, ураховуючи реологічні властивості розплаву, чисельними методами обчислюються епюри компонент тензора швидкостей деформації і епюри компонент швидкості потоку. Порівняння розрахованих об’ємних витрат, визначених за значеннями компонент швидкості потоку вздовж та впоперек каналу, з заданими дозволяє скорегувати напругу та градієнти тиску з метою оптимізації цільової функції.
Розплави полімерних композицій здебільшого високв’язкі рідини, тому процес течії супроводжується значним дисипативним розігрівом розплаву. Коефіцієнт теплопровідності не є адитивною величиною і залежить від виду, концентрації наповнювача та інших факторів. Враховуючи, що значення цього коефіцієнта у більшості випадків мале, для виключення необхідності його визначення зроблено припущення, що вплив переносу теплоти теплопровідністю порівняно з дисипацією незначний і при розв’язанні рівняння енергії ним можна знехтувати.
Для перевірки цього припущення була розв’язана чисельними методами математична модель течії розплаву в зазорі між нерухомим циліндром і циліндром, що обертається і рухається в осьовому напрямі, для адіабатич-них умов із врахуванням і без врахування складової теплопровідності. Порівняння результатів розрахунку показало, що значні розходження мають місце тільки в тонкому пристінному шарі, а в основному потоці не перевищували 5%. Тому для врахування неізотермічності потоку рівняння енергії розв’язувалось у вигляді:
У пристінному шарі температура приймалась рівною температурі стінки циліндра, яка задається. Значення компонент швидкості і температур уточнюються в алгоритмі розрахунку ітеративним методом.
Після розрахунку гідродинаміки потоку з’являється можливість моделювання процесу змішення. Запропановано новий підхід, який полягає у моделюванні руху частинок наповнювача. Криволінійна траєкторія замінюється ламаною лінією кроків розрухунку. Оскільки при просуванні частинки наповнювача вона потрапляє у зони з різним напрямком та величиною швидкості потоку, то розрахунок ведеться малими кроками у часі, при цьому на кожному кроці перераховуються координати моделюючих точок, які моделюють рух частинок наповнювача. Початкові координати моделюючих точок можна задавати довільно, що дозволяє моделювати умови введення наповнювача. Створено алгоритм та програму розрахунку процесу змішення в одночерв’ячному екструдері. Перевагами способу є можливість розрахунку статистичних та інтегральних параметрів розподілення часток наповнювача у розплаві, візуальному визначенні змішення, а також моделюванні процесу з урахуванням конструкції вузла вводу наповнювача в розплав полімера. На рис. 4 наведено результати розрахунку процесу змішення в одночерв’ячному екструдері з діаметром черв’яка 90 мм після шести витків нарізки. У верхній частині рисунка зображено моделюючі точки в повздовжньому перерізі каналу черв’яка, а в нижній, відповідно, у поперечному перерізі. При цьому в поперечному перерізі зображено точки, які розміщені в об’ємі каналу шостого витка, довжина якого складає 0,1 довжини витка.
Четвертий розділ присвячено експериментальній перевірці алгоритмів та програм розрахунку шляхом моделювання умов експерименту та порівняння результатів розрахунку з результатами експерименту. Схема експериментальної установки наведена на рис. 1. Плавлення полімера відбувається в дисковому екструдері 3, а в одно- або двочерв’ячний змішувач 2 потрапляє уже готовий розплав, що дає можливість безпосередньо вимірювати параметри зони дозування-гомогенізації. Розроблена методика проведення експериментів забезпечила повне заповнення каналу черв’яка, а встановлений на виході змішуючого екструдера змінний опір дозволив регулювати генерований екструдером тиск. В ході експериментів здійснювались виміри числа обертів, продуктивності, тиску, температури розплаву та споживаної потужності. Як приклад, на рис. 5 співставлено результати теоретич-ного розрахунку та експериментальні точ-ки для одночерв’ячного екструдера при переробці поліетилену марки 15803-020.
Похибка результатів розрахунку і експери-ментальних даних для одно- і двочев’ячного екструдерів не перевищувала 15%.
З метою експери-ментальної перевірки алгоритму та програми розрахунку параметрів змішення обрано метод мікроскопії. Розплав полімера з екструдера спрямовувався між валками, які калібрували товщину зразків. Далі стрічку різали на відрізки довжиною 100 мм, і для кожного з них визначався час перебування в екструдері і концентрація частинок наповнювача методом мікроскопії. Визначається розподіл часу знаходження частинок наповнювача в одночерв’ячному екструдері. На рис. 6 зображено теоретичний (суцільна лінія) та експериментальний (контур замальованої зони) розподіл часу. Затримка даних експерименту відносно теоретичних розрахунків на 8 секунд пов’язана з рухом розплаву у формуючому інструменті. Висновки розділу полягають у задовільному співпаданні експериментальних та теоретич-них даних, що підтверджує точність розроблених алгоритмів та програм розра-хунку. Зроблено зразки композицій та визначено їх фізико-механічні властивості.
У п’ятому розділі розроблені алгоритми та програми об’єднуються у методику розрахунку зони дозування-гомогенізації. При цьому розрахунок ведеться для кожного витка нарізки. Спочатку обчислюються компоненти напруги та швидкості і здійснюється перевірка відповідності результатів умовам непросковзування розплаву відносно стінки циліндра шляхом порівняння значення напруги на стінці з критичним її значенням. Якщо умови непросков-зування виконуються, то здійснюється оцінка умов диспергуючого змішення. Для цього обчислюються значення сумарної напруги зсуву по висоті каналу і порівнюється з критич-ним, при якому відбувається диспергування (руйнування) агломератів, рис. 7. Значення yx(y) та yz(y) визначаються при розрахунку гідродинаміки процесу, а сумарна напруга зсуву за формулою:
З рисунка бачимо, що диспергуюче змішення відбувається у замальованих зонах, і, якщо розмір цих зон більше 50% від загальної висоти каналу, умови диспергуючого змішення визнаються достатніми. Однак ця умова індивідуальна для різних наповнювачів та вимог змішення.
Після цього розраховуються параметри змішення. Якщо умови непросковзування, диспергування або змішення не задовільняються, то здійснюється коригування вхідних даних і розрахунок повторюється.
Результати досліджень використано при створенні екструдера ЧПВ2Сп90ч15 для лінії по виробництву деревополімерних листів, яка впроваджена на ВФ “Композит” Житомирського облпостачу.
Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дали змогу зробити висновки про можливість застосування одночерв’ячної екструзії для підготовки розплаву деревонаповнених полімерів при виготовленні профільно-погонажних виробів, до яких не ставляться підвищені вимоги щодо фізико-механічних властивостей.
З метою підвищеня техніко-економічних показників виробів, було запропановано нові конструктивні вирішення стосовно модернізації одночерв’ячного екструдера. Оригінальність вирішень підтверджено двома патентами України, які використано при проектуванні двох нових ліній на ВАТ “Більшовик”, м. Київ.
З метою видачі обгрунтованих рекомендацій щодо галузей застосування, проведено фізико-механічні випробування зразків цих композицій, одержаних методом одночерв’ячної екструзії, на експериментальній установці. Було проведено випробування на вигин, ударну в’язкість, середню міцність на розтяг для композицій з різним вмістом компонентів. Досліджено композиції з наповнювачем тирса та папір і концентрацією до 60% на основі поліетилену та поліпропілену і видано рекомендації щодо їх застосування.
ВИСНОВКИ
1. Аналіз сучасних методів меделювання процесу екструзії розплавів наповнених полімерів визначив мету, напрямки та задачі досліджень.
2. Створено алгоритм та програму розрахунку реологічних параметрів розплаву композиції за даними віскозиметричних вимірювань з урахуванням ступеня наповнення, з аналітичним та чисельним (у вигляді таблиці) поданням одержаних результа¬тів. Програма розрахунку обробляє дані, одержані за методикою вимірювань з двома соплами, є можливість подання даних розрахунку у вигляді трьохмірних графіків.
3. Створено експериментальну установку, проведено віскозиметричні випробування дерево-поліетиленової ком¬позиції з різним ступенем наповнення та готовності розплаву. З використанням розробленої програми одержано залежності напруги зсуву від , C, T. Порівняння розрахованих параметрів для чистого поліетилену високого тиску з відомими у літературі дозволило зробити висновок про достовірність мето¬дики вимірювань та розрахунків.
4. Розроблено узагальнену математичну модель, алгоритм та програму розрахунку процесу течії неньютонівської рідини в робочих органах одно- та двочерв’ячних екструдерів.
5. Створено експериментальну установку на базі одночерв’ячного екструдера, методику вимірювань та проведено експериментальні дослідження процесу течії розплаву полімера в каналі чер¬в’яка. Виконано розрахунок пара¬метрів течії за відповідних до екс¬перименту умов. Порівняння одержаних теоретичним та експери¬ментальним шляхами результатів свідчить про їх задовільний збіг – (середня похибка 9 %).
6. Створено експериментальну установку на базі двочерв’ячного екструдера, методику вимірювань та проведено експериментальні дослідження процесу течії розплаву полімера в каналах чер¬в’яків. Виконано моделювання експериментальних умов з метою порівняння результатів теоретичних та експериментальних досліджень. Середня похибка розрахунку 10%.
7. Запропановано алгоритм та програму розрахунку параметрів змішення в каналах одночерв’ячного екструдера на основі розрахованої гідродинаміки процесу течії.
8. Створено методику та алгоритм розрахунку процесів дозування-гомогенізації в одно- та двочерв’ячному екструдерах з використанням розроблених програм, з можливістю визначати енергосилові параметри та показники якості розплаву по довжині екструдера, що дозволяє на основі розрахунків обрати технологічну схему підготовки розплаву, а також розрахувати геометрію робочих органів і режимів переробки, за яких досягається потрібна якість змішення та диспергуючого змішування.
9. Зазначену методику апробовано на ВАТ “Більшовик” (м. Київ) при створенні лінії для виробництва дерево-полімерних листів на базі двочерв’ячного екструдера. Виготовлена лінія працює на ВФ “Композит” Житомирського облпостачу.
10. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження довели, що для ряду профільно-погонажних виробів прийнятна якість виробу досягається при одержанні розплаву методом одночерв’ячної екструзії. З метою поліпшення техніко-економічних показників виробу запропановано нові конструкції, які дозволяють ефективно використовувати одночерв’ячний екструдер для підготовки розплаву полімерних композицій.
11. Оригінальність конструктивних вирішень підтверджено двома патентами України, які використані при проектуванні двох нових ліній на заводі “Більшовик”, м. Київ.
ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ, В ЯКИХ ВИКЛАДЕНІ
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Двойнос Я. Г., Радченко Л. Б., Сезонов В. Н., Швед Н. П. Реологические и физико-механические свойства древесно-полиэтиленовой композиции// Экотехнологии и ресурсосбережение.- 1998.- №2.- С. 35-39.
2. Радченко Л. Б., Двойнос Я. Г., Сезонов В. Н. Дослідження процесів переробки деревнонаповнених полімерів екструзійним методом// Хiмічна промисловiсть України.- 1998.- №4.- С. 55-58.
3. Двойнос Я. Г., Бондаренко В. Н., Радченко Л. Б., Лукач Ю. Е., Сезонов М. В. Новое оборудование для переработки изношенных шин// Экотехнологии и ресурсосбережение.- 1999.- №2.- С. 73-75.
4. Пат. 23156А Украины, МКИ B29C 47/38, B27N 3/28. Агрегат для изготовления изделий из композиций наполненных органическими волокнистыми материалами/ Лукач Ю. Е., Оситинский Б. Л., Радченко Л. Б., Магазий П. Н., Двойнос Я. Г. (Украина).- №94107216; Заявлено 10.10.94; Опубл. 19.05.98. -4 с.
5. Пат. 22568А Украины, МКИ B29C 47/38. Экструдер для приготовления композиций из полимеров и органических наполнителей/ Лукач Ю. Е., Оситинский Б. Л., Радченко Л. Б., Микуленок И. О., Двойнос Я. Г., Магазий П. Н. (Украина).- №95010350; Заявлено 24.01.95; Опубл. 17.03.98. -4 с.
6. Пат. 2050287 Российской Федерации. Композиционный материал на основе целлюлозосодержащего наполнителя/ Бутко В.Г., Залерцов О. А., Гузик А. В., Долгий Э. М., Магазий П. Н., Двойнос Я. Г. (Украина).- Опубл. 20.12.95.- 4 с.
7. Вознюк К. А., Двойнос Я. Г., Радченко Л. Б., Швед Н. П. Исследование процессов смешения наполненных полимеров. В кн.: Научные труды международной конференции “Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых”, Одесса, 1997, с. 301-304.
8. Двойнос Я. Г., Бутко В. Г., Шумило Т.В. Композиционный материал из отходов бумаги и термопластов// тез. докл. конф. “Конструирование и производство изделий из полимерных и металлических композиционных материалов”.- г. Евпатория.- 18-20 мая 1993.- Киев.- 1993.- С. 55.
9. Радченко Л. Б., Плугатарь И. Ю., Двойнос Я. Г. Создание оборудования для производства композиционных и специальных полимерных изделий// тез. докл. конф. “Синтетические смолы и пластмассы. Технология производства и применение в отраслях промышленности”.- п. Сколе.- 28 февраля – 2 марта 1995.- Киев -1995, С. 50.
10. Л. Б. Радченко, П. Н. Магазий, Я. Г. Двойнос. Экструзия волоконно-наполненных полимерных композиций// тез. докл. конф. “Композиционные материалы в высокоэффективных технологиях механосборочного производства”.- г. Алушта.- 27-29 мая 1997.- Киев.- 1997.- С. 62-63.
Двойнос Я. Г. Процеси переробки композиційних матеріалів екструзійним методом.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.13 – машини та апарати хімічних виробництв.- Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ, 1999.
Дисертацію присвячено розробці методики розрахунку зони дозування-гомогенізації одно- та двочерв’ячних екструдерів з метою обгрунтованого вибору технологічної схеми, розрахунку оптимальної геометрії робочих органів та режимів переробки, за яких якість розплаву полімерної композиції задовільняє поставлені вимоги. Запропановано узагальнену математичну модель течії розплаву полімера в каналах одно- та двочерв’ячних екструдерів, алгоритм та програму розрахунку. Створено алгоритм та програму розрахунку параметрів змішення з використанням розрахованої гідродинаміки потоку. Розроблені алгоритми та програми експериментально перевірені, методику розрахунку устаткування впроваджено у виробництво, нові конструкторські вирішення використано при проектуванні двох нових ліній.
Ключові слова: екструдер, методика розрахунку, змішення, математична модель, композиційні матеріали, полімер.
Y. G. Dvojnos. Processes of processing of composite materials extrruzion method.- the Manuscript.
Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.05.13 – machine and devices chemical productions.- National technical university of Ukraine “KPI”, Kiev, 1999.
The dissertation is devoted to development of a technique of account of a zone of dosage-homogenization one- and two-worm extrudions with the purpose of the reasonable choice of the technological circuit, account of optimum geometry of working bodies and modes of processing, with which the quality melt of a polymeric composition satisfies to the given requirements. The generalized mathematical model of current melt of polymer in channels one and two-worm extrudions, algorithm and program of account is offered. The algorithm and program of account of parameters of mixture with use calculate of hydrodynamics of a flow is created. The developed algorithms and programs experimentation are checked up, the technique of account of the equipment is introduced into manufacture new of the design decision are used with designing two new lines.
Key words: extruder, technique of account, mixture, mathematical model, composite materials, polymer.
Двойнос Я. Г. Процессы переработки композиционных материалов экструзионным методом.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 – машины и аппараты химических производств.- Национальный технический университет Украины “КПИ”, г. Киев, 1999.
Диссертация посвящена разработке методики расчета зоны дозирования-гомогенизации одно- и двухчервячного экструдеров с целью обоснованного выбора технологической схемы, расчета оптимальной геометрии рабочих органов и режимов переработки, при которых качество расплава полимерной композиции удовлетворяет заданным требованиям.
Проведенный критический анализ современных методик расчета показал, что для расчета ламинарного смешения необходимо точное определение гидродинамики потока, а для оценки диспергирующего смешения важно найти распределение напряжений сдвига в расплаве по высоте канала. Последнее необходимо и для проверки условия непроскальзывания расплава на стенках канала.
Для проведения точных расчетов получены достоверные реологические характеристики расплава, с этой целью создана специальная экспериментальная установка капиллярной вискозиметрии на базе каскадного экструдера. Применение специального вискозиметра позволило провести измерения для древеснонаполненного полиэтилена высокого давления при большом диаметре сопел (10 мм) и в диапазоне скоростей сдвига до =80c-1, а также с расплавом разной степени готовности, соответствующим условиям течения в экструдере. Исследовались реологические параметры расплава при разной степени наполнения и температуре, использовалась методика измерений с двумя соплами. Для обработки большого числа экспериментальных данных создан алгоритм расчета и программа расчета, использующие формулу Вайсенберга-Рабиновича, программа расчета позволяет представить результаты как в аналитическом виде, так и в табличном и построить трехмерные графики (зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига и концентрации наполнителя). Получены реологические характеристики древесно-полиэтиленовой композиции с разной степенью наполнения. Методика проведения измерений и программа расчета проверены для чистого полиэтилена высокого давления путем сравнения рассчитанных параметров с данными в литературе.
Предложена обобщенная математическая модель течения расплава полимера в каналах одно- и двухчервячного экструдеров, алгоритм и программа расчета. Модель объединяет в себе известные уравнения неразрывности, движения и граничные условия, записанные в виде целевой функции, решаемой методами оптимизации для конкретных исходных данных. Аналитическое решение без дополнительных упрощающих предположений затруднено, поэтому используется численное решение методами оптимизации с использованием вычислительной техники. Целевая функция была исследована на монотонность, сходимость и единственность решения, выбран метод решения, – модифицированный метод Гаусса-Зейделя. Принимая во внимание малые значения теплопроводности для большинства полимерных композиций, значительный диссипативный разогрев и то, что коэффициент теплопроводности величина не аддитивная, внесено упрощение, что влияние переноса тепла теплопроводностью незначительно и при решении уравнения энергии им можно пренебречь. Проверка внесенного упрощения показала, что значительное расхождение имеет место только в тонком пристенном слое расплава, а в основном потоке не превышает 5%.
Решение задачи по определению двухмерной гидродинамики потока расплава композиции в канале одночервячного экструдера позволило предложить новый метод моделирования смешения, а именно – метод моделирующих точек, когда частицам наполнителя соответствуют моделирующие точки и рассчитываются траектории движения каждой частицы наполнителя, с последующей визуализацией распределения частиц в сечении канала. Метод позволяет определять интегральные и статистические показатели качества смешения, а также наблюдать текстуру. Созданы алгоритм и программа расчета.
Эксперименты по проверке разработанных программ были проведены на каскадных экструдерах на базе одно- и двухчервячных экструдеров. Средняя погрешность определения развиваемого одно- и двухчервячным экструдером давления не превышала 10 %. При экспериментальной проверке программы определения качества смешения в одночервячном экструдере использовался метод микроскопии и определялось распределение времен пребывания частиц наполнителя в экструдере. Сходимость результатов хорошая.
Получены образцы композиций с разным составом, изучены их физико-механические характеристики.
Объединение разработанных программ расчета позволило создать методику расчета зоны дозирования-гомогенизации одночервячного экструдера в виде алгоритма расчета. Входными данными для расчета является: геометрия рабочих органов, температура расплава на входе в зону, реологические свойства расплава, скорость вращения червяка, производительность, начальное распределение наполнителя в расплаве. Рассчитывается: развиваемое давление, параметры ламинарного смешения, средняя температура расплава на выходе, мощность привода. Проверяется условие непроскальзывания расплава на стенках канала, оценивается диспергирующее смешение. Методика апробирована при расчете геометрии рабочих органов двухчервячного экструдера-смесителя и червячно-дискового экструдера-расплавителя в составе линии ЛДПЛ-1000 для производства древесно-полимерных листов. Линия изготовлена ОАО “Большевик” (г. Киев) и работает на ПФ “Композит” Житомирского облснаба, где выпускаются листы толщиной 2-10мм и шириной 1000мм.
Проведенные исследования показали, что для ряда изделий приемлемое качество может быть достигнуто при использовании одночервячной экструзии. С целью повышения технико-экономических параметров изделия, предложены новые конструкторские решения, новизна которых подтверждена двумя патентами Украины. Эти решения использованы при проектировании двух новых линий на ОАО “Большевик” (г. Киев).
Ключевые слова: экструдер, методика расчета, смешение, математическая модель, композиционные материалы, полимер.
УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ
– швидкість зсуву, с-1
– напруга зсуву, Па
I – інваріант тензора напруги
I – інваріант тензора швидкостей деформаціі
T – температура, К
C – конценрація наповнювача, % мас.
K – коефіцієнт консистентності
n – показник неньютонівської поведінки розплаву
Gу- масова витрата потоку втрат, кг/с
V – швидкість потоку, м/с
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
