Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ конструкций и методов расчёта измельчителей полимерных материалов (литературный обзор) 9
1.1 Анализ существующих конструкций измельчителей полимерных материалов 9
1.2 Анализ методов расчета основных параметров процесса измельчения 37
1.2.1 Теоретические основы процесса измельчения 37
1.2.2 Анализ методов расчета основных параметров ножевых измельчителей 42
2 Разработка конструкции установки для измельчения «мягких» полимерных отходов и метода расчета основных технологических параметров процесса измельчения 49
2.1 Описание конструкции установки для измельчения «мягких» полимерных отходов и технологии измельчения 49
2.2 Разработка метода расчета основных технологических параметров процесса измельчения «мягких» полимерных отходов 54
3 Исследование реологических свойств и гидродинамических характеристик расплавов полимеров до и после вторичной переработки 62
3.1 Описание экспериментальной установки для исследования процессов течения расплавов полимеров и методики проведения экспериментов 62
3.2 Исследование реологических свойств полимерных материалов до и после вторичной переработки 67
3.3 Исследование гидродинамических характеристик расплавов полимерных материалов до и после вторичной переработки при течении в каналах сложной формы 80
3.4 Исследование эффекта разбухания экструдатов полимеров при их истечении из формующих каналов сложного поперечного сечения до и после вторичной переработки 93
4 Исследование прочностных характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки 106
4.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента 106
4.2 Сравнительный анализ результатов исследования прочностных характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки 108
Общие выводы 120
Библиографический список 122
- Анализ методов расчета основных параметров процесса измельчения
- Разработка метода расчета основных технологических параметров процесса измельчения «мягких» полимерных отходов
- Исследование реологических свойств полимерных материалов до и после вторичной переработки
- Сравнительный анализ результатов исследования прочностных характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки
Анализ методов расчета основных параметров процесса измельчения
Дайсеры способны измельчать листы толщиной до 3 мм и шириной до 500 мм. Размер конечного продукта колеблется в пределах 2-25 мм. Максимальная производительность 7500 кг/ч, потребляемая мощность до 125 кВт. К преимуществам данной конструкции можно отнести автоматизацию процесса, непрерывность, большую производительность и сравнительную простоту конструкции. Основным недостатком является узкий диапазон видов перерабатываемых отходов, а именно, данная конструкция служит для переработки листовых отходов, что в условиях производства малоэффективно. Переработка отходов пленки, обрезков и др. исключается, так как нет возможности их равномерной подачи. Таким образом, конструкция не отвечает одному из основных требований -универсальности.
В производстве полимерных изделий широко применяются для переработки отходов измельчители полимеров роторные (ИПР-300 и ИПР-450 ) [2.8].
На рисунке 1.5 представлен рабочий узел роторного измельчителя ИПР-300, состоящий из корпуса, нижняя часть которого имеет распределительную решетку. В корпусе находится ротор, выполненный в виде равностороннего треугольника, в вершинах которого посредством прижимной гайки крепятся ножи. В корпус измельчителя, являющийся статором между верхней питающей и нижней ситчатой составляющей введены отсекающие ножи, которые 1 - корпус; 2 - распределительная решётка; 3 - ротор; 4 - гайка прижимная; 5 - нож; 6 - отсекающий нож; 7 - крепящий болт
Принцип работы ИПР-300 следующий: отходы полимерного производства подаются в рабочий узел через его питающую часть. Вращающийся ротор посредством ножей захватывает их и деформирует при взаимодействии с отсекающими ножами корпуса, который определяется размером ячеек распределительной решетки, поступают в сборник, расположенный под рабочим узлом.
Недостатком данной конструкции является невозможность переработки так называемых «мягких» полимерных отходов -- полиэтиленовой пленки в частности. Из-за малой толщины и большой эластичности полиэтиленовая пленка наматывается на ротор и не имеет возможности измельчаться, а также, деформируясь, она спекается на поверхности ротора, создавая необходимость его чистки.
Таким образом, ИПР-300 не имеет возможности перерабатывать "мягкие" отходы производства, которые составляют значительную долю.
Для измельчения отходов полиэтиленовой пленки в ХСКТБ "Машинприборпластик" [1.13] разработаны агломераторы, представляющие собой цилиндрический резервуар, над донной частью которого расположен ряд ножей, под которыми вращается двухножевой ротор. Ротор приводится в движение от электродвигателя (при загрузке пленки 50 кг она составит примерно 100 кВт). Перерабатываемый материал загружают через окно в крышке, а готовый продукт выгружают через отверстие в стенке нижней части резервуара, которое при работе аппарата перекрывается заслонкой с помощью пневмоцилиндра.
Одновременно в аппарат загружают 50 кг пленочных отходов, которые измельчаются в хлопья площадью около 0,01 м2, под действием теплоты трения они переходят в пластичное состояние, после чего в агломератор подается небольшое количество воды. Вода охлаждает материал, предотвращая его слипание, а затем испаряется. Получаемый агломерат имеет размеры от 0,002 до 0,015 м, насыпная плотность составляет 400 кг/м3. Определяющим фактором получения качественного продукта является количество воды и время ее впрыска.
К преимуществам агломерации можно отнести возможность переработки агломерата в изделия без дополнительной грануляции.
Недостатки процесса агломерирования заключаются в следующем: получаемый агломерат имеет разнородный гранулометрический состав, затрудняющий равномерное питание перерабатываемого оборудования; большие затраты энергии (на производительность НО кг/ч потребляемая мощность составит 100 кВт).
Производительность роторно-ножевого измельчителя можно повысить, если его рабочее пространство разделить на зоны грубого и тонкого измельчения. Так, конструкция, представленная на рисунке 1.6 авторами [4.3], содержит корпус с ножами, в котором на горизонтальном валу установлен узел первичного измельчения, состоящий из диска, на торцевой поверхности которого установлены ножи, под которыми имеются прорези, и узел вторичного измельчения, содержащий диск с ножами, контактирующими с неподвижными ножами корпуса. С целью повышения производительности ножи узла вторичного измельчения установлены на наружной цилиндрической поверхности диска, причем между режущими кромками ножей выполнены выемки, сообщающиеся с прорезями диска узла первичного измельчения. Боковая поверхность каждой выемки со стороны рабочей поверхности режущего ножа выполнена выпуклой, а ее верхняя кромка удалена от рабочей кромки
Разработка метода расчета основных технологических параметров процесса измельчения «мягких» полимерных отходов
Производительность захватывающих профильных вальцов GB, кг/с, равная производительности установки G (рассчитанной по формуле 2.1), может быть определена согласно по формуле: где В - ширина профильных вальцов, м; а - зазор между вальцами, м; v„ - окружная скорость вальцов, м/с; р - плотность измельчаемого материала, кг/м3; Кш?р -коэффициент, учитывающий использование ширины валков и степень "разрыхления" материала, Кш,р = 0,1-0,3; Гв -коэффициент использования машинного времени, Yl, = 0,8 -0,9 [1.16]. В данной формуле произведение а-Кш р определяет толщину полотна термопласта 5 подаваемого на резку дисковыми ножами.
Ширина профильных вальцов В должна быть согласована с величиной b-z„ в соответствии с рисунком 2.4.
Кроме того, с использованием формулы (2.4) рассчитывали основные размеры элементов загрузочного устройства установки по измельчению отходов пластмасс (объём загрузочной камеры, ширину и диаметр профильных вальцов, зазор между вальцами, размеры проходного зева и т.д.).
Окружную скорость профильных вальцов vB определяли из условия равенства количества подаваемого профильными вальцами полотна и количества отсекаемого за один рез дисковыми ножами, т.е. обеспечивали выполнение следующего условия:
Величина зазора между дисковыми ножами и неподвижным ножом Д, в соответствии с рисунком 2.5, влияет на силу резания. Малые зазоры способствуют более эффективной резке, но вызывают повышенный расход энергии. При увеличении зазора уменьшается число эффективных резов, то есть резов, заканчивающихся полным разделением частиц на две части, а также резко возрастают энергозатраты, что связано с увеличением доли работы, затраченной на деформацию материала, не приводящую к разрушению. Поэтому величину Д принимали согласно [1.13], [2.25] из диапазона (0,1 -0,4)-10"3м.
Мощность, затрачиваемая на резание, N, Вт, зависит от числа резов в секунду n-z и определяется согласно [1.29] по формуле: 2 л -т) где А - работа резания, совершаемая за один рез, Дж; со - угловая скорость дисковых ножей, co=2-it-n, с" ; п - количество оборотов дисковых ножей, об/с; z - число зубьев дискового ножа; Г - коэффициент полезного действия, п = 0,75 [1.23]. Резание происходит за счёт развития ножами напряжения сдвига. Процесс разрушения структурных связей полимерных псевдопластичных материалов за счёт сдвига включает несколько стадий развития упругой деформации, которая сменяется пластической с последующим распространением среза, сопровождающегося изгибом и разрывом [1.5].
Усилие, необходимое для развития сдвига в термопластах Рс, Н, определяли согласно [1.5, 2.20] по формуле: где К, m - постоянные, зависящие от вида полимера; v - скорость деформации растяжения, м/с; U - энергия активации процесса разрушения; кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/К;мв/1Ь Т - абсолютная температура, К. Постоянную К определяли согласно [1.4] по формуле:
Модуль высокоэластичности Е зависит от скорости деформации растяжения полимера, однако его изменение в пределах скоростей деформации от 10"5 до 103 с"1 не существенно. При определении разрывного напряжения для термопластов по формуле 2.9 величину Е принимали равной модулю упругости, ввиду того, что температура в процессе резания меньше температуры пластикации полимера.
Постоянную т, характеризующую вязкопластические свойства материала, согласно [1.4] можно определить по графическим зависимостям lg сгр = f(v). Например, для эластомеров величина m находится в пределах 3,7-4,4. Для термопластов m = 6,8 - 8,2.
Энергия активации процесса разрушения, в соответствии с [2.22], для полиэтилена в интервале температур 273-293 К U=180 - 220 кДж/моль; где ш -угловая скорость дисковых ножей, с"1, со = 33-157 с" [1-34]; гн - радиус дисковых ножей, м. Радиус дисковых ножей гн выбирали из оптимального соотношения ширины реза к диаметру дискового ножа, которое согласно [1.34] составляет 0,5-2.
При этом ориентировались на интервал скоростей v = 2 - 20 м/с, в котором усилие резания не зависит от скорости деформации [2.2]. Для уменьшения уровня шума согласно [2.25] выбирали скорость резания, близкую к нижнему пределу допустимого интервала скоростей.
Учитывая силы трения из-за притупления ножей и зазор между дисковыми ножами и неподвижным ножом коэффициентом К3, согласно [1.23] Описание экспериментальной установки для исследования процессов течения расплавов полимеров и методики проведения экспериментов Для исследования реологических свойств полимерных материалов до и после вторичной переработки и гидродинамических характеристик их потоков при истечении из каналов со сложным поперечным сечением на кафедре ОНХЗ Стерлитамакского филиала УГНТУ была спроектирована экспериментальная установка, представленная на рисунке 3.1.
Установка состояла из промышленного экструдера с диаметром шнека 0,04 м и длиной 0,69 м, созданного на базе механизма впрыска термопластавтомата модели Д-3328. Частота вращения шнека от 20 до 100 об/мин. Шнек 1 располагался в материальном цилиндре 2, который обогревался хомутовыми нагревательными элементами сопротивления 3 до температуры 170С, и снабжён загрузочным бункером 4. На материальном цилиндре 2 с помощью переходника 5 монтировалась посредством резьбового соединения экструзионная головка 6, в которой закреплялся формующий канал исследуемого сечения и длины 7. Перед экструзионной головкой 6 устанавливался манометр 8 для визуального контроля давления экструзии. Регулирование давления экструзии осуществлялось регулятором скорости 9, изменяющим частоту вращения червяка 1 через гидропривод 10. Давление изменялось в пределах 0,1-11 МПа. Установка содержала щит электрического питания 11, пульт управления 12, блок автотрансформаторов 13 и вспомогательное оборудование 14. Образцовый манометр 8 устанавливался на переходнике 5 посредством мембранного разделителя МР-5321, рассчитанного на измерение давления расплава полимера до 60 МПа. Мембранный разделитель оснащался системой обогрева, состоящей из хомутовых электронагревательных элементов для предотвращения застывания расплава полимера и образования «пробок» в полимерном блоке мембраны. Обогрев материального цилиндра 2, переходника 5 и экструзионной головки 6 осуществлялся по зонам: три зоны обогрева материального цилиндра 2 экструдера, одна зона обогрева переходника 5, одна зона обогрева экструзионной головки 6. Каждая зона теплоизолировалась асбестовым волокном. Контроль и регулирование температуры осуществлялся автоматически при помощи датчиков ТХК-539, электрически связанных с многопозиционным прибором КСП-4. Кроме того, температура контролировалась стеклянными ртутными термометрами с точностью до 0,1 С.
Исследование реологических свойств полимерных материалов до и после вторичной переработки
Сравнительный анализ результатов исследования гидродинамических характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки позволил установить следующие закономерности.
Так, для сечения канала вида «штапик» расходы для всех исследуемых полимеров находятся в пределах (0 - 120)-10"4 кг/с при градиентах давления (0 - 4)-107Па/м. Температуры переработки составляли 130, 150, 160", 170С. При сравнении первичных и вторичных полимеров в области малых градиентов давления (0 - 1)-107Па/м наблюдаются наибольшие отклонения по расходам (30- 60%). При рабочих перепадах давления (1 - 4)-107Па/м увеличение массового расхода для вторичных полимеров составило: для ПВД - 20 - 34%, для ПНД-289 - 23 - 38%, для ПНД-277 - 21 - 33% в заданном интервале температур. Максимальное отклонение составило 38%) для ПНД 289 при температуре 160С и градиенте давления 2,2-Ю Па/м. Минимальное отклонение составило 20% для ПВД при температуре 130С и градиенте давления 2,4-107Па/м.
Для сечения канала вида «плинтус» максимальное отклонение массового расхода наблюдалось при течении расплава ПНД-289 при температуре переработки 150, градиенте давления 2,0-107 Па/м и составило 43% . Наименьшее отклонение массового расхода - 14% наблюдалось для градиента давления 2-Ю7 Па/м при сравнении вторичного и первичного ПВД (температура переработки 150С). В зоне рабочих перепадов давления (2 - 6)-107 Па/м увеличение массового расхода находилось в пределах 17 - 33% для всех исследуемых полимеров.
Для сечения канала вида «облицовочная планка» в области малых градиентов давления (0 - 2)-107 Па/м отклонения по расходам составили: для ПВД - 20 - 30%, для ПНД-289 - 30 - 50%, для ПНД-277 - 20 - 23% в заданном интервале температур. В зоне рабочих перепадов давления (2 - 6)-107 Па/м увеличение массового расхода находилось в пределах 12 - 30% для всех исследуемых полимеров. Наименьшее увеличение массового расхода - 12% наблюдалось при сравнении вторичного и первичного ПВД при температуре переработки 170С и градиенте давления 6-Ю7 Па/м.
Для всех исследуемых материалов в области рабочих температур и градиентов давлений среднее увеличение расхода составило 16,3 - 34%, что необходимо учитывать при их дальнейшей переработке в изделия. При помощи проведённых экспериментальных исследований и полученных графических зависимостей были установлены оптимальные режимы переработки вторичных полимерных материалов в каналах сложной формы: давление экструзии 4,5- 5 МПа, температура переработки для ПНД-277 - 160С, для ПВД - 170С, для ПНД-289 - 160С.
Исследование эффекта разбухания экструдатов полимеров при их истечении из формующих каналов сложного поперечного сечения до и после вторичной переработки
В производстве полимерных материалов широко применяется метод свободной экструзии, при котором изделие, вышедшее из формующей головки больше не соприкасается с калибрующим инструментом, не подвергается вытяжке и механической обработке. В этом случае окончательные размеры и форма изделия зависят от эффекта разбухания.
В технологической практике эффект разбухания оценивают коэффициентом разбухания, под которым понимают отношение диаметра экструдата к диаметру формующего отверстия в канале. Как известно, диаметр струи полимера оказывается увеличенным по сравнению с диаметром профилирующего канала. С точки зрения молекулярной структуры явление разбухания представляет собой результат релаксации макромолекул, ориентированных при течении в канале вследствие воздействия на них высоких скоростей сдвига. С реологической точки зрения разбухание экструдата обусловлено релаксацией высокоэластической деформации, запасенной в полимерной системе при ее течении в канале [1.28].
Представляло интерес исследовать явление разбухания полимерных материалов до и после их вторичной переработки при истечении из каналов сложной формы (сечения и геометрические характеристики каналов представлены в таблице 3.2).
Эксперименты по изучению эффекта разбухания экструдатов первичных и вторичных полимеров при их истечении из формующих каналов сложного поперечного сечения проводились в заданном интервале температур и давлений: ПНД-277- при t = 150 - 170 С и Р = 0,5 - 6 МПа; ПВД 15802-020 при t = 130 - 170С и Р = 0,5 - 6 МПа; ПНД-289 при t = 150 - 170С и Р = 0,5 - 6 МПа. Методика проведения эксперимента была аналогична представленной в пункте 3.1 и заключалась в следующем: при достижении рабочей температуры давление экструзии последовательно устанавливали в виде определенных значений, при которых струя экструдата отсекалась заподлицо с плоскостью канала с одновременной фиксацией времени ее истечения, которое выбирали таким образом, чтобы длина экструдата находилась пределах 0,08-0,10 м. Отсеченный образец экструдата постепенно охлаждался для релаксации напряжений в материале.
Далее из образцов экструдата, полученных при истечении расплавов полимеров (при заданной температуре и давлении) из исследуемых формующих каналов сложной формы вырезались, перпендикулярно оси, пластинки толщиной не более 10"3 м. Полученные образцы, представляющие собой поперечные сечения экструдатов, зажимались между двумя стеклами, вставлялись в проекционный аппарат и проектировались на экран из листа миллиметровой бумаги. При десятикратном увеличении изображения среза экструдата на экране обводились его контуры. Площадь сечения измерялась планиметром с точностью до 10" м .
Сравнительный анализ результатов исследования прочностных характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки
При экспериментальном определении прочности полимерных материалов наблюдается некоторый разброс получаемых значений. Этот разброс является следствием статистической природы прочности. В разных образцах имеются различные наборы микродефектов, наиболее опасный из которых в большинстве случаев определяет прочность образца.
В процессе вторичной переработки полимер подвергается дополнительным механохимическим и термоокислительным воздействиям, что оказывает существенное влияние на его физико-механические и технологические свойства [2.12, 2.23].
Полученные экспериментальные данные показали, что зависимость разрывного напряжения экструдатов ПВД и ВПВД от давления экструзии имеет оптимум в интервале от 4,5 до 5,5 МПа. При дальнейшем увеличении давления экструзии прочность образцов уменьшается, это связано с высокой скоростью выхода экструдата. При увеличении температуры переработки от 130 до 170С для всех исследуемых сечений прочность экструдатов увеличивается на 5 - 7%.
Сравнительный анализ результатов исследований для ПВД и ВПВД показывает, что прочность образцов из ПВД после вторичной переработки в рабочем диапазоне давлений экструзии понижается на 10-20%.
Указанное снижение прочности объясняется тем, что уровень равновесных напряжений во вторичном полимере ниже, чем в первичном. Поэтому изготовленные из него изделия необходимо эксплуатировать при более низких нагрузках, чем такие же изделия из первичного полимера, и в течение более короткого времени. Это необходимо учитывать при разработке номенклатуры изделий, изготавливаемых из вторичных термопластов. Снижение прочностных характеристик является допустимым для рабочих режимов эксплуатации изделий.
Таким образом, проведенный сравнительный анализ результатов исследования показал, что механические свойства полимеров после вторичной переработки изменяются в пределах допустимых для их дальнейшей переработки в изделия методом экструзии и литья под давлением при тех же режимах, что и для первичных. При этом решается проблема утилизации отходов и рационального использования сырьевых ресурсов. Разработана и спроектирована конструкция высокоэффективной установки для переработки "мягких" полимерных отходов (патент РФ № 2116196).
2 Разработан метод расчёта основных технологических параметров процесса измельчения в установке для переработки полимерных отходов, рассматривающий влияние геометрических и кинематических параметров режущих органов на величину усилия резания, необходимого для разрушения структурных связей полимера с учётом его высокоэластических свойств.
3 Получены математические зависимости для определения производительности - G и мощности установки - N для переработки "мягких" полимерных отходов:
4 Проведены экспериментальные исследования реологических свойств первичных и вторичных полимеров, с целью проведения сравнительного анализа реологических характеристик. Полученные результаты указывают на повышение эффективной текучести всех полимерных материалов после вторичной переработки, которое составило 10-12%.
5 Исследование гидродинамических характеристик первичного и вторичного полимеров при истечении из формующих каналов со сложным поперечным сечением показало, что для всех исследуемых материалов в области рабочих температур и градиентов давлений среднее увеличение расхода составило 16,3 - 34%, что необходимо учитывать при их дальнейшей переработке.
6 Экспериментально изучено явление разбухания полимерных материалов до и после их вторичной переработки при истечении из каналов сложной формы. Для всех исследуемых полимеров после вторичной переработки наблюдается снижение высокоэластических свойств, при этом коэффициент разбухания в среднем уменьшается на 8-11%.
7 Сравнительный анализ результатов исследования прочностных характеристик, произведённый на примере экструдатов полиэтилена высокого давления (ГОД 15802-020) до и после вторичной переработки, показал, что прочность образцов из ВПВД в рабочем диапазоне давлений экструзии понижается на 10 - 20%.
8 Полученный метод расчёта и результаты экспериментальных исследований были использованы для определения оптимальных режимов переработки вторичных полимерных материалов методом экструзии в каналах сложной формы.
