Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и основные задачи исследования
1.1 Структура, основные особенности образования и утилизации отходов современного сельскохозяйственного производства
1.2 Термопластичные древесно-полимерные композиционные материалы инженерно-технического назначения (ДПК)
1.2.1 Области использования, состав, достоинства и недостатки ДПК 15
1.2.2 Эксплуатационные и технологические характеристики ДПК 18
1.2.3 Полимерные связующие ДПК и требования к ним 19
1.2.4 Назначение, методы получения и требования к мелкодисперсным древесно-растительным наполнителям
1.2.5 Назначение модифицирующих добавок ДПК и требования к ним
1.3 Технологические процессы и оборудование для производства ДПК и переработки их в изделия
1.3.1 Общие принципы 34
1.3.2 Применяемое оборудование 41
1.4 Методы изучения эксплуатационных и технологических характеристик ДПК физико-механических, реологических и трибо технических характеристик ДПК
1.4.1 Приборы и методы изучения физико-механических свойств ДПК
1.4.2 Приборы и методы изучения реологических свойств ДПК
1.5 Принципы проектного расчета оборудования и оснастки для производства и переработки композиционных материалов
1.6 Цели и задачи исследования 56
2 Теоретическое исследование компрессионного формования пластин из гранулята термопла стичных композиционных материалов с дре весно-растительными наполнителями
2.1 Разработка нестационарной математической модели компрессионного формования пластины
2.1.1 Описание основных стадий неизотермического процесса компрессионного формования пластины
2.1.2 Обоснование теплофизических характеристик композиций 60
2.1.3 Основные допущения, граничные условия и уравнения модели 72
2.2 Теоретический анализ нестационарного процесса компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композиционных материалов с древесно-растительными наполнителями
Выводы по главе 2 82
3 Методики экспериментальных и теоретических исследований
3.1 Методика изучения физико-механических характеристик растительных материалов и энергоемкости их измельчения
3.2 Методика изучения измельчения растительных материалов на ножевой мельнице РМ 120 и шаровой мельнице «Пульверизет-те-7» «Premium Line»
3.3 Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном смесителе периодического действия PolyLab Rheomix 600 OS
3.4 Методика компрессионного формования пластин для физикомеханических и реологических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-Н50С
3.5 Методики исследования технологических и эксплуатационных характеристик композитов
3.5.1 Методика исследования физико-механических характеристик
3.5.2 Методика испытаний на влагопоглощение 95
3.5.3 Методика исследования реологических характеристик расплавов в режиме вынужденных колебаний
3.6 Методика тарировки объемных дозаторов экструдера 98
3.7 Методика компаундирования компонентов композиционных 100 материалов на лабораторном двухшнековом экструдере сона-правленного вращения PolyLab Rheomex PTW 16
Выводы по главе 3 108
4 Результаты экспериментальных и теоретических исследований
4.1 Результаты изучения физико-механических характеристик растительных материалов и энергоемкости их измельчения
4.2 Результаты изучения процессов измельчения растительных материалов в одностадийном и двухстадийном режимах.
4.3 Исследование влияния вида, дисперсности и содержания растительных наполнителей на физико-механические и реологические характеристики композитов на основе ПЭНД 273-83
4.4 Исследование влияния вида, дисперсности и содержания минеральных модификаторов на физико-механические и реологические характеристики композитов на основе ПЭНД 273-83
4.5 Разработка состава, исследование эксплуатационных и технологических характеристик многокомпонентных композитов
4.5.1 Разработка составов многокомпонентных композитов у улучшенными технологическими характеристиками
4.5.2 Исследование технологических характеристик многокомпонентных композитов
4.6 Исследование непрерывного техпроцесса производства гранулята из созданных композиционных материалов на двухшнеко вом экструдере-компаундере Rheomex PTW 16 PolyLab
4.7 Исследование технологических процессов экструзии модельных длинномерных изделий из термопластичных композитов, наполненных тонкодисперсной ячменной соломой
4.7.1 Техпроцесс изготовления пластин с применением плоскощелевой головки
Выводы по разделу 4 151
5 Рекомендации по применению разработанных композиционных материалов и технологий их производства в АПК
5.1 Рекомендации по применению разработанных термопластичных композитов в объектах сельскохозяйственного машиностроения
5.2. Рекомендации по применению разработанных термопластичных композитов в объектах сельскохозяйственного строительства
5.3. Расчет экономической эффективности предлагаемых мероприятий
Общие выводы 158
Список использованных источников
- Области использования, состав, достоинства и недостатки ДПК
- Описание основных стадий неизотермического процесса компрессионного формования пластины
- Методика изучения измельчения растительных материалов на ножевой мельнице РМ 120 и шаровой мельнице «Пульверизет-те-7» «Premium Line»
- Исследование влияния вида, дисперсности и содержания растительных наполнителей на физико-механические и реологические характеристики композитов на основе ПЭНД
Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство основного сельскохозяйственного продукта в АПК связано с образованием большого количества отходов. Выход продукта иногда составляет 15-30% от массы исходного сырья. В растениеводческих отраслях АПК России ежегодно образуется до 150 млн. тонн соломы, которая в основном сжигается на полях или запахивается в землю.
Годовой объем образующихся в РФ полимерных отходов по данным 2012 года составляет значительную величину – около 900 тыс. тонн при уровне их утилизации не выше 13%. Свалками ежегодно загрязняется до 10 тыс. га земель, в том числе плодородные земли, изымаемые из сельскохозяйственного оборота. При этом решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды, требует значительных капитальных вложений. Так, например, стоимость уничтожения отходов пластмасс примерно в 3 раза превышает расходы на уничтожение бытовых отходов.
Экономически целесообразным решением является переработка полимерных и растительных отходов с получением экологически чистых термопластичных композиционных материалов. Важнейшими продуктами конечной переработки могут быть детали сельхозмашин, строительные материалы, элементы домашней и офисной мебели и др., что позволяет получить значительный экологический и экономический эффект.
В РФ решение проблемы внедрения биоразлагаемых композиционных материалов предусмотрено планом «Развитие биотехнологий и генной инженерии» (распоряжение Правительства РФ от 18.07.2013 г. №1247-р).
Степень разработанности темы. Анализ и систематизация работ таких исследователей, как А.В. Абушенко, В.К. Астанин, В.В. Богданов, И.А. Валеев, В.Н. Водяков, С.И. Вольфсон, И.В. Воскобойников, В.В. Глухих, И.Г. Голубев, Т.В. Ефимов, А.А. Клесов, М.Л. Кербер, И.Н. Мусин, И.В. Скопинцев, Н.И. Шубин, В.А. Ушков и других, посвященных созданию, использованию, изучению свойств и технологиям переработки полимерных композитов, позволили определить научную проблему и направления дальнейших исследований.
Несмотря на большое количество исследований в области композитов с полимерным связующим, в том числе термопластичных древесно-полимерных композитов, возможности совершенствования их состава и технологий производства далеко не исчерпаны. В частности, недостаточно изученными остаются проблемы использования мелкодисперсной соломы в качестве наполнителя термопластов, различных видов минеральных добавок, технологии переработки таких композитов в изделия методом компрессионного формования, а также их эксплуатационные и технологические характеристики.
Работа выполнена в рамках проекта «Разработка процесса получения термопластичных композиционных материалов на основе древесно-растительных отходов» (госконтракт с правительством РМ №16-ГК/2013), отвечающего приоритетным направлениям работ университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).
Цель исследований – разработка составов, технологических процессов производства и переработки и изучение свойств термопластичных композици-
онных материалов инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК.
Объект исследования – термопластичные композиционные материалы инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК.
Предмет исследования – физико-механические, реологические свойства термопластичных композиционных материалов на основе растительных отходов АПК и закономерности процесса переработки их в изделия методом компрессионного формования.
Научную новизну работы составляют:
– математическая модель нестационарного процесса компрессионного формования пластин из гранулята композиционных материалов в пресс-формах закрытого типа;
– результаты теоретического обоснования температурных функций тепло-физических характеристик композиционных материалов и гранулятов;
– результаты теоретического анализа процесса компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композиционных материалов с дре-весно-растительными наполнителями;
– методика и результаты исследования механических характеристик и энергоемкости измельчения соломы злаковых культур;
– результаты изучения влияния дисперсности и содержания соломы на физико-механические и реологические характеристики термопластичных композитов на основе ПЭНД 273-83;
– результаты изучения влияния дисперсности и содержания минеральных модификаторов на физико-механические и реологические характеристики термопластичных композитов, наполненных мелкодисперсной соломой.
Практическую значимость представляют:
– составы и результаты исследования физико-механических, реологических, теплофизических и триботехнических характеристик экологически чистых композитов инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК;
– программа «SIMULATION MOLDING PLATES» численного расчета нестационарных процессов компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композиционных материалов;
– закономерности технологических процессов смешения и компаундирования компонентов термопластичных композиционных материалов на лабораторных смесителях периодического и непрерывного действия;
– рекомендации по применению в АПК разработанных термопластичных композитов, технологий их производства и переработки в изделия.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием положений механики сплошной среды, теплофизики, реологии полимеров и разработанной программы расчета «SIMULATION MOLDING PLATES». Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием высокотехнологичного научно-исследовательского оборудования лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО
«Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева». Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики, программы «Excel 2010» и программных продуктов европейских фирм – поставщиков оборудования.
Положения, выносимые на защиту:
– математическая модель и результаты исследования нестационарного процесса компрессионного формования пластин из гранулята композиционных материалов в пресс-формах закрытого типа;
– методика и результаты исследования механических характеристик и энергоемкости измельчения соломы злаковых культур;
– методика и результаты изучения влияния дисперсности и содержания минеральных модификаторов на физико-механические и реологические характеристики термопластичных композитов, наполненных мелкодисперсной ячменной соломой;
– составы и результаты исследования физико-механических, реологических, теплофизических и триботехнических характеристик экологически чистых композитов инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК;
– технологические процессы смешения и компаундирования компонентов термопластичных композиционных материалов в лабораторных смесителях периодического и непрерывного действия.
Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 10 %), использованием в исследованиях высокотехнологичного оборудования и современных программных комплексов. Результаты исследований прошли широкую апробацию в печати и научно-практических конференциях, внедрены или приняты к внедрению в производство.
Реализация работы. Погружные скребки элеваторного конвейера, изготовленные из разработанных термопластичных композитов по технологии компрессионного формования, приняты к внедрению на птицефабрике ООО «Авангард» (РМ, с. Инсар-Акшино).
Методики изучения энергоемкости измельчения соломы злаковых культур, периодических и непрерывных процессов производства термопластичных композиционных материалов, реологических и физико-механических свойств полимерных материалов внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» в рамках бакалаврских и магистерских программ по направлениям подготовки «Биотехнология» и «Аг-роинженерия».
Техническая документация на изготовление пресс-форм закрытого типа для формования плит принята к внедрению в МИП ООО «Эффект-гарантия».
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии на всех этапах исследовательского процесса и подготовки диссертации: разработке и реализации плана теоретических и экспериментальных исследований, отработке рецептуры термопластичных композиционных материалов, разработке экспериментальных установок, обработке и интерпретации полученных результа-
тов, подготовке и написании научных статей, оформлении заявок на патенты и внедрении результатов.
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, 2012 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Молодежь – развитию региона» (г. Саранск, 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Разработка эффективных авиационных, промышленных, электротехнических и строительных материалов и исследование их долговечности в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов» (г. Саранск, 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии получения сельскохозяйственной продукции» (г. Саранск, 2014-2015 гг.), научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г.Саранск, 2013-2015 гг.); расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2015 г.).
Диссертант является победителем программы Фонда содействия развитию малых форм предпринимательства «У.М.Н.И.К» (2012-2014 гг.); в 2013 г., удостоен диплома и серебряной медали ХI выставки-ярмарки «Российским инновациям – российский капитал» (г. Нижний Новгород) за проект «Технология производства термопластичных композиционных материалов на основе древес-но-растительных отходов».
По теме диссертации автором опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, включает 99 рисунков и 24 таблицы, список литературы содержит 166 наименований.
Области использования, состав, достоинства и недостатки ДПК
В современном машиностроении все чаще стали использовать композиционные материалы. Они сочетают в себе свойства различных материалов, что существенно расширяет область их применения.
Древесно-полимерные композиционные материалы (ДПК), представляют собой отдельный класс древесных конструкционных материалов, в которых частицы измельченной древесины соединены между собой при помощи термопластичной полимерной матрицы. Количество древесины (по весу) составляет в ДПК от 40 до 80 процентов [30].
Древесно-полимерные композиционные материалы (ДПК), предназначенные для переработки методом экструзии, литья под давлением или прессования, состоят из трех основных компонентов: частиц измельченной древесины; синтетических или органических термопластичных полимеров или их смеси; комплекса специальных химических добавок (модификаторов), улучшающих технологические и другие свойства композиции и получаемой продукции, часто называемых также аддитивами. Содержание древесины в составе древесно-полимерного композита на основе термопластичных смол может меняться в широких пределах.
Указанные композиты имеют все лучшие природные свойства дерева, но лишены таких его недостатков, как подверженность гниению и плесени, горючесть, дефекты поверхности, низкая влагостойкость [31,32,33]. В России до 97% рынка составляет декинг (половая доска), наиболее простой для продажи продукт, который можно получить из ДПК. В то же время в мире этот композит используются также для производства автоком-плектующих (отделочных панелей), уличной мебели, строительных материалов. Подавляющее большинство видов ДПК в мире и РФ производятся на основе полиэтилена (83%). Полипропилен и ПВХ используются ограниченно.
Число российских предприятий, производящих ДПК, стремительно растет: в 2010 году их было только 4, в 2011 уже около 15. Объем рынка составляет около 200 тыс. м2 половой доски или 3500 т. Рынок растет на 70-100% ежегодно. Производство ДПК характеризуется исключительной прибыльностью: при себестоимости сырья в 35-45 руб/кг, оптовая цена изделий составляет 70-100 руб./кг, а розничная – 130-160 руб./кг в зависимости от качества продукции [34].
В настоящее время ДПК используется, в основном, для производства декинга и систем ограждения (половые доски, лестницы, стойки и манжеты стоек, обвязка перил и фундамента, наголовники стоек и балясины и другие небольшие аксессуары) и подобных конструкций, присоединяемых снаружи к жилым домам, а также дощатых тротуаров. Относительно небольшое количество промышленно производимых ДПК идет на сайдинг, изгороди, паллеты, кровельную черепицу и оконный профиль. Другие изделия типа свай, железнодорожных шпал, пристаней, оконных ставней и звуковых барьеров являются скорее опытными (не промышленными) или продаваемыми в очень небольших объемах по сравнению с основными продуктами из ДПК. Автомобильные и авиационные изделия (внутренние панели, магистральные линии, упаковочные лотки и др.) образуют отдельную категорию композитных изделий, в которой часто используют длинноволокнистую целлюлозу, и попадают в существенно другую ценовую категорию [34].
Достоинства ДПК-материалов обуславливают сферы их применения. 1. Максимальная устойчивость к ударам и повреждениям. Имея высокий предел прочности, дерево способно длительное время сопротивляться значительным нагрузкам. Настилы из ДПК имеют больший ресурс, связанный с малым влагопоглощением, отсутствием пороков и огнестойкостью. Именно поэтому специалисты рекомендуют использовать их в общественных местах в качестве дорожек аллей, террас, беседок и др. 2. Неподверженность гниению и деформациям. Впитывающее влагу дерево способствует размножению бактерий, грибков и плесени. Высыхая, древесина теряет свои формы, трескается, искривляется. Полимер в ДПК предупреждает абсорбцию древесным наполнителем воды, а значит, защищает напольное покрытие от намокания, гниения, деформации. Террасная доска рекомендована для использования в зонах повышенной влажности: палубах паромов, пирсах, банях, бассейнах. 3. Способность противостоять перепадам температур. Способность ДПК без ухудшения физических качеств материала не реагировать на морозы до -60С и жару до +70С обусловлена свойствами древесного наполнителя. Напольное покрытие из ДПК может выдержать более 75 циклов замерзания/оттаивания, поэтому его с легкостью можно использовать на открытых площадках. 4. Устойчивость к УФ лучам. Это качество стройматериала говорит о том, что изделия не выгорают на солнце и надолго сохраняют свой изначальный вид, т.е. террасная доска не требует ежегодного обслуживания и реконструкции внешних характеристик. 5. Высочайшие декоративные характеристики. Благодаря экструзионным технологиям создается максимально однородный материал с добавлением любых безопасных красителей. Изделия из ДПК можно использовать для оформления любого ландшафтного дизайна и создания интерьерных решений в самом широком диапазоне цветов.
Описание основных стадий неизотермического процесса компрессионного формования пластины
Анализ экспериментальных результатов показывает, что процесс компрессионного формования пластин из гранулята композиционных материалов в в пресс-форме закрытого типа (рис. 2.1) является нестационарным и его можно разделить на три неизотермические стадии.
На первой стадии (сжатия гранулята) навеска гранулята с начальной температурой Тг и массой на 5… 10 % большей массы формуемой пластины засыпается в полость раскрытой пресс-формы, нагретой предварительно в прессе до температуры формования 7ф. При этом гранулят из-за наличия воздушных прослоек (порозности) занимает в пресс-форме высоту пп, большую высоты изделия (пластины) К (рис. 2.1а). В начальный момент времени tс = 0 плиты пресса смыкаются и к плунжеру 4 пресс-формы прикладывается усилие прессования Fп, приводящее к замыканию пресс-формы с созданием напряжений сгк и уплотнению гранулята при давлении рс. При этом воздух из пресс-формы отжимается через каналы 2 и зазор 3 в атмосферу, а контактирующие с пресс-формой поверхности гранулята, принимают температуру пресс-формы 7ф. Стадия заканчивается в момент t = t\, когда значение порозности є становится равным 0, а высота полости /гфп h (рис. 2.1б).
Иллюстрация особенностей структуры гранулята на начальном этапе первой стадии показана рис. 2.2, на котором представлен фрагмент пластины. Пластина размером 1305013 мм была сформована в пресс-форме аналогичной конструкции при давлении рн = 0,1 МПа и температуре 7ф = 150 С. Использованы равные навески гранулятов полиэтилена ПЭНД 273-83 и полипропилена 21030-16Н (черного цвета) с различной температурой плавления. I
Расчетные схемы и температурные профили по стадиям процесса компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композитов: I – начальный (а) и конечный (б) этапы стадии сжатия гранулята; II – начальный (в) и конечный (г) этапы стадии формования расплава; III – промежуточный (д) и конечный (е) этапы стадии охлаждения расплава; позиции схемы: 1 – матрица; 2 – каналы для отвода избытка расплава; 3 – зазор между плунжером и матрицей; 4 – плунжер; 5 – гранулят до сжатия; 6 – гранулят после сжатия; 7 – зона нагретого гранулята; 8 – расплав композита; 9 – формуемый расплав композита; 10 – облой (грат); 11– застекловавшаяся часть расплава; 12 – остаточная часть расплава; 13 – сформованное изделие (пластина) а
Иллюстрация особенностей первой стадии формования пластины: а - поперечное сечение фрагмента пластины; б - вид снизу на представленную часть фрагмента
На начальном этапе второй стадии (нагрева и формования расплава длительностью t2) до момента t {t\ + t2) происходит нагрев гранулята со скоростью, определяемой величиной коэффициента температуропроводности гранулята аг(Т), с образованием переменного температурного поля Tг(t,z).
При достижении температуры перехода композиции в вязкотекучее состояние Гвт в областях, прилегающих к поверхностям плунжера и матрицы, начинается образование расплава 8 (рис. 2.1в), имеющего коэффициент температуропроводности а (Т). С течением времени нагрева происходят перемещение
фронта расплава, определяемого координатой zг(t), и снижение толщины гранулята. В некоторый момент времени t {t2 + h) весь объем гранулята переходит в расплавленное состояние. Вследствие температурного расширения часть расплава с остатками воздушных включений при давлении pф(t) вытекает наружу через зазор 3 и щелевые каналы 2, выполненные в торцевых плоскостях матрицы 1, образуя облой (грат) 10, подлежащий удалению при обработке пластины.
Стадия заканчивается в момент времени t =(t2 + h\ отвечающий достижению в плоскости симметрии расплава температуры (T)z=0 0,97 71. Величина конечного давления /?фк в полости пресс-формы определяется величиной гидродинамического сопротивления каналов 2 и 3 полному истечению избытка расплава.
На третьей стадии (охлаждения сформованного расплава) пресс-форма устанавливается между плитами охладителя, в результате чего верхняя плоскость пуансона принимает температуру плит охладителя Тохл.
В течение времени охлаждения текущая температура плунжера и матрицы пресс-формы изменяется в диапазоне Тк Tп(t) Гф. При снижении температуры пресс-формы до температуры стеклования расплава Тс в момент времени t {t\ + t2) слои, прилегающие к плоскостям матрицы и плунжера, переходят из вязкотекучего физического состояния в стеклообразное (рис. 2.1д). При этом давление в полости пресс-формы в течение времени охлаждения также непрерывно снижается по некоторому закону р (t).
Стадия заканчивается в момент времени t ={tx + t2+ t3) (рис. 2.1 е), отвечающий переходу всего объема расплава в стеклообразное состояние и снижению температуры в плоскости симметрии до (Ги)2=0 1,5 Тохл, исключающей температурную деформацию (коробление) сформованного изделия. Толщина Ли и другие размеры изделия определяются значением линейной усадки, зависящей от разности температурных коэффициентов линейного расширения металла пресс-формы и композита, температур Гф и Ги, значений давления формования Рф и объемного модуля упругости расплава.
Методика изучения измельчения растительных материалов на ножевой мельнице РМ 120 и шаровой мельнице «Пульверизет-те-7» «Premium Line»
1. Блок привода и измерений RheoDrive 7 OS. Измерительные органы присоединяются при помощи самоцентрирующегося стыковочного узла и распознаются программным обеспечением. Индивидуальные предельные ве личины параметров для измерительных органов (температура, давление, кру тящий момент) устанавливаются системой автоматически. Управление инст рументом: ручное, пультом дистанционного управления, полное управление – программным обеспечением Monitor Software. Двухдиапазонный датчик крутящего момента (120/400 Нм) имеет два диапазона: диапазон I – 0…120 Нм c разрешением 0,01 Нм; диапазон II: 0…400 Нм с разрешение 0,1 Nm. Технические характеристики: мощность – 7 кВт; максимальная скорость – 280 об/мин; максимальный крутящий момент – 300 Нм
2. Экструдер Rheomex PTW16/25 OS (567-7501) (рис. 1.11, 3.13). Мо дульный 16-миллиметровый двухшнековый экструдер сонаправленного вра щения с соотношением L/D 40:1. Горизонтально разъмный цилиндр экстру дера для удобства чистки, замены шнеков и исследования процесса. Сегмен тированная верхняя половина полностью съмная, состоит из модулей и мо жет быть переконфигурирована. Модули длиной 4D используются для пода чи твердых и жидких компонентов или для дегазации и могут быть установ лены в разных точках по длине экструдера. В систему могут быть интегриро ваны вторичные дозаторы и вакуумные насосы. Шнеки сегментированы и снабжены устройством для простого извлечения и переконфигурирования.
Экструдер сконструирован для смешения и компаундирования малых количеств термопластов и композитов для количеств, начиная от 100 г. Сегментированные шнеки могут быть оптимизированы под прикладную задачу. Технические характеристики: диаметр шнека – 16 мм; соотношение L/D – 40:1; максимальная скорость – 1100 об/мин; максимальная производительность (в зависимости от материала) – 10 кг/ч; максимальная температура – 400 C; максимальное давление – 100 бар; максимальный крутящий момент – 130 Нм; зона загрузки – охлаждаемая; количество зон нагрева – 10; количество отверстий для подачи/дегазации – 4.
Принадлежности: датчики температуры и давления материала; атмосферный дегазационный адаптер; набор сегментов для изменения конфигурации шнека; экструзионная головка стренга 1x3 мм.
3. Дозатор для основного загрузочного отверстия (подача грануля-та – основной полимер или премикс гранул). Объемный одношнековый дозатор (OS, Type DRS28, CANopen bus technology) со шнеком для гранул S13/10 максимальной производительностью 12 л/ч.
4. Дозатор для раздельной подачи наполнителя (порошок, волокна) включает: 1) шнековый податчик для наполнителя Vertical Stuffer Feeder – в комплекте с адаптером, охлаждаемым воротником и штативом податчика, с регулировкой по высоте; 2) объмный двухшнековый дозатор MiniTwin Feeder (OS), для порошка с производительностью 0,05 ... 2,5 кг/ч и бункером емкостью 1 л с двумя комплектами шнеков для порошка максимальной производительностью 0,9 л/ч и 7 л/ч; связан с управляющим компьютером.
5. Дозирование жидких компонентов. Насос Liquid Feeding Pump OS с ручным управлением производительностью до 2,5 л/мин.
6. Система вакуумной дегазации. В комплекте с адаптером системы дегазации экструдера и вакуумным насосом
7. Ванна для охлаждения стренга. Включает: водяную ванну с направляющими стренга (экструдата), систему термостатирования воды, циркуляционный охладитель (термостат) Accel 500 LC; воздушный осушитель стренга.
8. Гранулятор напольный. Имеет систему регулирования скорости протяжки и шага резки стренга, не связанную с управляющим компьютером
9. Компрессор с ресивером 50 л. Технические характеристики: произ водительность – от 250 л/мин, давление – 8 бар, мощность двигателя – 1500 Вт; питание – 230 В. Запуск оборудования производился следующим образом. Перед первым запуском экструдера открывали цилиндр и моющим средством очищали шнеки от защитного покрытия. Затем включали зоны нагрева и устанавливали температурные контроллеры на требуемую температуру (программа PolySoft OS).
Экструдер прогревался до рабочих температуры в течение 10…15 минут. Далее включали привод экструдера на малой частоте (5…10 об/мин) для проверки свободы вращения шнеков в цилиндре. После этого запускали программу PolySoft OS, а блок привода переводили на частоту вращения 50 об/мин. Через 5…10 мин включали дозаторы и для подачи в загрузочное устройство двух базовых компонентов (гранул полиэтилена и растительного наполнителя). После появления расплава экструдата в фильере (стренги) скорость вращения шнеков экструдера увеличивали до достижения крутящего момента 60% от максимального значения 130 Нм. Стренга подавалась по направляющим роликам в охладительную ванну, далее в систему сдува капель и режущее устройство.
Для наполнителей с малой насыпной плотностью, таких как древесная мука и мелкодисперсная солома разработаны системы принудительного питания экструдеров. В этом случае питатель подает муку в зону загрузки экс-трудера под некоторым давлением и обеспечивает, тем самым, достаточную плотность материала.
На первом этапе экспериментальных работ мелкодисперсную солому подавали в шнековый податчик для наполнителя Vertical Stuffer Feeder при помощи объмного двухшнекового дозатора MiniTwin Feeder (OS) MT-1. Было установлено, что шнек податчика не полностью забирает волокнистый наполнитель и образует своды, что связано с большим углом конусности по-датчика и высоким коэффициентом трения наполнителя. Гранулы полиэтилена дозировались с помощью объемного одношнекового дозатора DRS28.
Было принято решение вводить гранулы полиэтилена и растительных наполнителей (древесной муки и мелкодисперсной ячменной соломы) в загрузочное устройство с помощью указанных дозаторов одновременно, а пя-тикомпонентную композицию (см. раздел 4.5) получать в две стадии. Данное решение привело к успешному решению поставленной задачи.
На первой стадии получали гранулят маточной смеси полиэтилена низкого давления ПЭНД 273 -83 и растительного наполнителя из мелкодисперсной ячменной соломы. На второй стадии аналогичным образом в маточный компаунд вводились модифицирующие компоненты согласно разработанному рецепту (см. раздел 4.5) Режимы переработки маточных компаундов и композиции приведены на рис. 3.14 – 3.16. На рис. 3.17 – 3.20 приведены основные особенности техпроцессов охлаждения и гранулирования компаунда.
Исходя из графиков тарировок, по линиям трендов были определены относительные скорости вращения шнеков дозаторов. Для растительных наполнителей (древесная мука и мелкодисперсная ячменная солома) из-за малой производительности двухшнекового дозатора MiniTwin Feeder (OS) вы Рисунок 3.14 - Режим переработки маточного компаунда (54,3%ПЭНД + 45,7% древесная мука) биралась максимальная частота вращения его шнеков.
Исследование влияния вида, дисперсности и содержания растительных наполнителей на физико-механические и реологические характеристики композитов на основе ПЭНД
В результате проведенных исследований (разделы 3.3 и 3.4) установлено, что повышение дисперсности растительных наполнителей до 300…400 мкм и введение (до 10 %) таких минеральных наполнителей как мелкодисперсный шунгитовый порошок и белая сажа способствуют существенному улучшению указанных характеристик. Прочность при растяжении составила 17… 19 МПа, модуль упругости - 2200 МПа; влагопоглощение 4… 5%.
Достигнутые значения физико-механических показателей соответствуют нижнему порогу аналогичных показателей ДПК (см. табл. 1.2) и не являются достаточными для производства инженерно-технического конструкций ответственного назначения, основным требованием к которым является способность изделия воспринимать длительное время значительные внешние нагрузки без потери прочности и существенного изменения формы и размеров.
Состав 1. Для повышения прочностных показателей было принято решение о введении в состав трехкомпонентного композита двух модифици 128 рующих добавок, способствующих образованию связей между целлюлозой наполнителя и полимерным связующим, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Полимерная композиция включает: – неокрашенный газофазный полиэтилен низкого давления (ПЭНД) по ТУ 2243-104-00203335-2005 и ГОСТ 16338-85 марок, предназначенных для изготовления технических и профильно-погонажных изделий методами экструзии и литья под давлением; – органический наполнитель из соломы злаковых культур, полученный двухстадийным измельчением на ножевых мельницах, с размером фракций 0,1 – 0,3 мм, влажностью менее 10%, насыпной плотностью 0,12 – 0,15 г/см3; – шунгитовый порошок марки «Новокарбон» по ТУ 2169-001-57753937-2002 с размером фракций 0,10 – 0,20 мкм, являющийся усилителем, технологически активной добавкой и красителем (черный цвет); – малеид Ф по ТУ 6-14-1004-87, являющийся совместителем связующего и наполнителя и представляющий из себя композицию, состоящую из 75% N,N-метафенилендиамина и 25% связующих добавок; – гексол ХПИ по ТУ 2471-012-50199225-2002, являющийся технологически активной добавкой и структурным пластификатором;
На стадии отработки рецептуры приготовление полимерной композиции заключалось в следующем. Производили плавление полиэтилена низкого давления в лабораторном смесителе периодического действия HAAKE PolyLab Rheomix 600 OS с роторами Banbury при температуре 150-160 С (50 об/мин, 5 мин.). Затем вводили в смеситель органический наполнитель и предварительно перемешанные вручную целевые добавки: шунгитовый по-129 рошок, малеид Ф, гексол ХПИ (50 об/мин., 2 мин.). После чего все компоненты компаундировали до достижения постоянных значений крутящего момента на приводном вале смесителя и температуры расплава. Полученная смесь выгружалась в лоток и охлаждалась до комнатной температуры. Формование пластин из приготовленной полимерной композиции для физико-механических испытаний проводили в пресс-форме с размером формующей полости 2002001 мм методом горячего прессования при температуре 160 C и усилии пресса 100 кН с последующим охлаждением пластин в сомкнутой пресс-форме до температуры 50 C согласно ГОСТ 12019-66.
Предел прочности при растяжении определяли по ГОСТ 11262–80, модуль упругости при растяжении – по ГОСТ 9550–81. Значения водопоглоще-ния образцов определяли по ГОСТ 4650–80 (метод А, выдержка в воде в течение 24 часов), плотность полимерной композиции – по ГОСТ 15139–69.
Реологические испытания проводили в динамическом режиме с использованием рифленой измерительной системы «плоскость-плоскость» с диаметрами ротора и плоскости 20 мм на реометре Haake MARS III. Амплитуда осцилляций ротора составляет 0,001 рад., диапазон частот – 0 – 80 Гц, диапазон температур расплава – 150 – 170 С, рабочий зазор между плоскостями измерительной системы задавали равным 1 мм при толщине образцов (дисков), вырубленных из пластин 1,1 – 1,2 мм. Обработку результатов проводили на основе принципа температурно-временной суперпозиции Больц-мана, реализованном в программе RheoWin TTS, с температурой приведения 160 С, отвечающей условиям компаундирования компонентов в смесителе и формования в прессе пластин для физико-механических и реологических испытаний.
В табл. 4.8 (примеры 1-12) приведены составы, значения физико-механических и реологических свойств ряда полимерных композиций.
Из табл. 4.8 следует, что оптимальная дозировка шунгитового порошка находится в пределах 3…5 %, при этой дозировке предел прочности при растяжении достигает максимального значения и находится в диапазоне 27,6…29,2 МПа, дальнейшее увеличение концентрации заметно снижает модуль упругости, не влияя на предел прочности при растяжении. Оптимальная дозировка малеида Ф находится в пределах 2…4%, при такой дозировке модуль упругости имеет значение 1687…1741 МПа, дальнейшее увеличение его концентрации практически не влияет на прочность, но увеличивает себестоимость композиции. Оптимальная дозировка гексола ХПИ находится в пределах 0,5…1%, в этом диапазоне достигается максимальное значение прочности и модуля упругости при растяжении, кроме того снижается вязкость полимерной композиции.