Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Порошковая технология приготовления резиновых смесей как один из альтернативных способов смесеприготовления 10
1.1.1. Основные варианты порошковой технологии приготовления резиновых смесей 13
1.1.2. Переработка порошкообразной композиции в резиновую смесь и необходимые профили 16
1.2. Приготовление порошкообразной композиции с диспергированными наполнителями 19
1.3. Подходы к изучению закономерностей процессов, происходящих при приготовлении ПКДН 29
1.3.1. Ножевые, режущие и фрезерные машины 31
1.3.2. Теория и методы изучения процессов, происходящих при смешении , 35
1.4. Выводы из анализа литературы и постановка задач
исследования 48
2. Объекты и методы исследования 50
2.1. Характеристика исследуемых материалов... 50
2.2. Установки и приборы для исследования процессов переработки эластомеров и смешение по порошковой
технологии 50
2.2.1. Измельчители эластомеров 50
2.2.2. Плужные смесители с РДУ
2.3. Определение параметров процесса приготовления ПКДН 51
2.4. Определение свойств резиновых смесей и физико-механических показателей резин
2.5. Математическое моделирование и расчеты параметров процесса 55
3. Теоретическое исследование процессов приготовления порошкообразных композиций и смесей 57
3.1. Показатели эффективности процесса смешения и его отдельных составляющих 57
3.1.1. Энтропийное исследование качества смешения 57
3.1.2. Показатели качества смешения и эффективности процесса .59
3.2. Пути и теоретические возможности улучшения эффективности смешения. 63
3.2.1. Сравнение альтернативных схем смешения по литературным данным 63
3.2.2. Резервы порошковой технологии в отношении повышения эффективности смешения 72
3.3. Феноменологическое описание процессов при приготовлении порошкообразных композиции 73
3.3.1. Статистическое исследование попадания частиц в активную зону и кинетические закономерности на основе анализа случайных процессов 77
3.4. Кинетическая модель процессов в плужном смесителе с РДУ
на основе материального и энергетического балансов 82
3.4.1. Физический смысл основных коэффициентов модели 88
3.5. Теоретическое исследование единичных актов основных процессов на основе модельных представлений. Связь единичных актов с кинетическими коэффициентами модели 90
3.5.1. Единичный акт измельчения. Расчет измельчающего воздействия 93
3.5.2. Единичный акт смешения. Расчет смесительного воздействия... 98
3.5.3. Расчет энергозатрат в единичном акте 100
3.6. Математическое моделирование закономерностей измельчения и смешения в смесителях с РДУ 103
3.6.1. Изотермическое приближение 103
3.6.2. Неизотермические процессы и их моделирование. Температурные зависимости коэффициентов и параметров модели, а также свойств материалов 106
3.6.3. Влияние захвата и агломерации 108
4. Исследование закономерностей процессов в эксперименте и на моделях 111
4. I. Эксперименгальное исследование процесса приготовления ПКДН в смесителе с однороторным РДУ 111
4.2. Экспериментальные зависимости в смесителях с двухроторным РДУ 113
4.2.1. Сопоставление расчета и эксперимента 119
4.3. Влияние режимных параметров на процесс смешения 123
4.3.1. Влияние степени наполнения 124
4.3.2. Влияние исходного размера частиц 124
4.3.3. Влияние частоты вращения роторов (фрез) РДУ 127
4.4. Влияние основных свойств материалов на процесс 130
4.4.1. Влияние энергии активации Еа вязкотекучести на процесс. 132
4.4.2. Влияние коэффициента фения на процесс
4.5. Влияние конструктивных параметров на процесс 136
4.6. Вывод о значимости влияния рассмотренных параметров и рекомендации по применению математической модели для получения инженерных формул и методов расчета 140
4.6. L Оценка качественных различий характера процессов в ПС
с РДУ 141
5. Повышение эффективности порошковой технологии на стадии приготовления ПКДН 142
5.1. Составляющие процесса получения порошкообразной композиции 142
5.1.1. Эквивалентность степени измельчения и деформации сдвига в увеличении поверхности раздела смешиваемых фаз 142
5.1.2. Составные части процесса смешения по порошковой технологии 145
5.2. Определение времени пребывания материала в зонах смесителя и расчет парциальных потоков через активную зону 147
5.2.1. Формулы для расчета производительности измельчения и смешения. Влияние совмещенности процессов на характер их протекания 151
5.3. Расчет мощности измельчения и смешения 155
5.3.1. Определение характера протекания процессов в отдельных частицах на основе термодинамической концепции Рейнера-Вайсенберга 155
5.3.2. Анализ температурно-временных характеристик материала и их влияние на процесс 157
5.3.3. Расчет мощности 158
5.4. Тепловой режим работы смесителя-измельчителя 160
5.4.1. Определение гког и коэффициентов теплопередачи 161
5.4.2. Методика определения нагрева отдельных частиц 167
5.4.3. Скорость диспергирования наполнителя в частицах полимерной фазы в РДУ 170
5.4.4. Методика расчета общего теплового баланса и тепловой инерционности процесса 172
5.4.5. Оптимизация конструкции смесителя на основе кинетических и тепловых моделей 174
5.4.6. Практические предложения по результатам анализа теплового режима 180
5.4.6.1. Повышение эффективности отвода тепла от частицы в зазоре РДУ 180
5.4.6.2. Повышение эффективности процесса изготовления сыпучей резиновой смеси путем изменения частоты вращения РДУ и плужных элементов 182
5.4.6.3. Рациональные конструктивные и режимные параметры для повышения эффективности приготовления Г1КДН 184
5.5. Вариант конструкции нового плужного смесителя с РДУ 186
5.6. Сравнение различных способов приготовления ПКДН 186
6. Практическое использование результатов работы 192
6.1. Оптимизация полной схемы приготовления резиновых смесей по порошковой технологии из блочных каучуков 192
6.1.1. Оптимизация стадии измельчения 194
6.1.2. Практическая реализация измельчения 196
6.1.3. Оптимизация стадии приготовления ГЖДН 198
6.1.4. Практическая реализация приготовления ГЖДН 201
6.1.5. Сравнение различных схем приготовления резиновых смесей по эффективности общих энергозатрат и отдельных стадий 201
6.2. Линия приготовления резиновых смесей по порошковой технологии 206
6.2.1. Описание технологической линии 208
6.2.2. Технологические регламенты производства резиновых смесей по порошковой технологии 212
6.2.3. Свойства сыпучих товарных резиновых смесей, получаемых по порошковой технологии 212
6.3. Использование результатов работы для создания линий переработки вулканизованных и подвулканизованных резиновых отходов 216
6.3.1. Линия переработки вулканизованных отходов и подвулканизованных резиновых смесей 217
7. Выводы 221
8. Литература
- Подходы к изучению закономерностей процессов, происходящих при приготовлении ПКДН
- Определение параметров процесса приготовления ПКДН
- Статистическое исследование попадания частиц в активную зону и кинетические закономерности на основе анализа случайных процессов
- Влияние основных свойств материалов на процесс
Подходы к изучению закономерностей процессов, происходящих при приготовлении ПКДН
Функция 1((р, 0) сложным образом зависит от геометрии червячного смесителя, определяемой ф-углом подъема винтовой линии, интегралом от а=у/Н- относительной координаты по глубине винтового канала.
Эти функции приводятся в литературе [7, 57, 58, 63]. В последнее время имеются данные по расчету полей скоростей и напряжений для зон червячных смесителей, рассчитанные методом конечных элементов с использованием специальных программных продуктов [64, 120].
Представляют интерес работы, целью которых является оптимизация конструктивных и режимных параметров для рабочих органов, обеспечивающих минимизацию времени приготовления смеси требуемого качества [70, 137, 138. 139, 140, 141, 142].
В работе [137] проведен анализ и решена задача оптимизации для рабочей поверхности лопасти резиносмесителя периодического действия. Показано, что при приготовлении резиновых смесей для угла входа смеси в зазор от 22 до 35 радиус рабочей лопасти должен составлять 42-55 мм, при этом эффективность смешения будет максимальной..
В работе [138] установлено оптимальное соотношение между величиной зазора (S) и радиусом вершины ротора смесителя периодического действия, причем o7R=0.013-Ю.015. Авторы [139] показали существование оптимального соотношения геометрических размеров в области сходящегося зазора периодического смесителя.
Интенсивность процесса, оцениваемая показателем проходит через оптимальное соотношение геометрических параметров. Оптимальное значение 8/1 - отношение зазора к ширине гребня для роторного смесителя периодического действия было найдено для определенной требуемой удельной энергии смесителя вблизи зазора [140, 141], при этом 5/1=0,15-0,35, и зависит, кроме прочего, от реологических параметров смеси.
Интересными являются решения задачи оптимизации и разработка способов смешения [70, 142, 143], при которых для периодического смешения по определенному алгоритму изменяется частота вращения ротора и обеспечивается за минимальное время заданное качество смешения.
Неизотермическая оптимизационная задача привела к решению в виде функции частоты от времени [70]: Кроме задач кинетики смешения, анализа массообъема, оптимизации параметров рабочих органов необходимо производить расчеты для определения энерго-силовых характеристик процесса в ПС с РДУ [9].
Рассмотрение дифференциальных уравнений движения, энергии для различных зон смесителя в бочке плужного смесителя и в рабочих зонах РДУ чрезвычайно сложно и наврятли осуществимо, возможны анализы на основе модельных представлений и упрощающих допущений [9, 101]. Основным методом для решения указанных задач следует считать теорию подобия [7, 8, 9, 101, 132].
Критериями, характеризующими соотношение основных сші при приготовлении резиновых смесей, будут следующие [7, 8, 61, 132]: критерий Рейнольдса для смешения:
Конкретный вид критериальных уравнений следует получать на основе обработки опытных данных [62, 144, 145 ,146].
1. Обзор литературы показал, что приготовление ПКДН в ПС с РДУ является наиболее перспекгивным направлением реализации порошковой технологии приготовления резиновых смесей. 2. Отсутствует теоретический анализ предельных возможностей процесса приготовлеїшя ПКДН, при которых бы обеспечивался максимум преимуществ этого варианта порошковой технологии. 3. Отсутствует системный анализ процессов, происходящих в ПС с РДУ при приготовлении ПКДН, не ясны их иерархия и значимость. 4. Отсутствуют кинетические модели процессов в ПС с РДУ. 5. Не исследованы возможности использования различных вариантов РДУ, реализующих максимальное измельчающее, смесительное и диспергирующее воздействие. 6. Не определены оптимальные, принципиальные конструктивные и режимные параметры процесса приготовления ГЖДН в ПС с РДУ. 7. Нет методов расчета смесительного воздействия, производительности, времени смешения, оптимального алгоритма смешения. 8. Нет данных по оптимальному выбору параметров между отдельными стадиями единого процесса смесеприготовления по порошковой технологии. 9. Нет эффективного промышленного способа реализации порошковой технологии. Целью данной работы являются: 1. Анализ предельных возможностей в приготовлении ГЖДН в ПС с РДУ 2. Изучение закономерностей на основе математических моделей кинетики процессов и анализ основных факторов, влияющих на эффективность смешения в целом. 3. Разработка новых конструкций РДУ и ПС с РДУ с оптимальными конструктивными и режимными параметрами 4. Разработка методов расчета основных параметров для ПС с РДУ 5. Разработка технологий и схем переработки на основе получения ГЖДН на базе ПС с РДУ 6. Создание промышленной эффективной технологии смесеприготовления по порошковой технологии с использованием ГЖДН. 7. Разработка оптимальных пропорций как между отдельными подпроцессами на стадии получения ГЖДН так и для всего резиносме шения в целом. 2. Объекты и методы исследования
Измельчение каучуков и резиновых отходов осуществлялось в установке грубого дробления ДИС-022, разработанной автором диссертации. Схема, внешний вид и техническая характеристика установки приведена в главе 6 и приложении.
Предварительно нарезанные пластинчатым ножом 547-5 куски эластомера массой 2-5кг подавались в рабочую камеру измельчителя установки в присутствии 1-2% массовых частей дезагломеранта (мела, каолина, талька) и измельчались до размера кусков 16-20 мм.
Среднее и мелкое измельчение эластомеров до частиц 0,8-бмм осуществлялось на установке ДКУ [10, 30] и во фрезерных скоростных измельчителях полимерных материалов ТС-21, разработанных автором. Схема, внешний вид и техническая характеристика установки представлена в главе 6 и приложении. 2.2.2. Плужные смесители с РДУ
Определение параметров процесса приготовления ПКДН Определение расхода энергии на измельчение и смешение осуществлялось с помощью самопишущих киловаттметров Н3095 и рассчитывалось по известным формулам [101, 30, 83]. Средний размер (у) и объем (х)частиц каучука и смеси определялись методом ситового анализа [118], причем размер каждой /-той фракции определяем по формуле:
Коэффициент трения каучуков и резиновых смесей определяли как отношение силы трения к нагрузке на пятно контакта при определенной скорости скольжения по металлической поверхности барабана машины МИР-1 (при снятом образиве). Образцы резиновых смесей готовились прессованием при температуре 313К.
Пересчет коэффициентов трения для других условий осуществлялся по имеющимся в литературе формулам и приведен в соответствующих исследовательских главах.
Вязкостные свойства эластомеров и смесей определялись на основе уравнения Освальда де Виля по известным методаясам [147, 148] на ротационном визкозиметре ВР-2, а также по литературным данным.
Частота вращения фрезерных роторов определялась тахогенератором и регистрировалась самописцем.
Температура рабочих органов определялась термопарами, вмонтированными в неподвижные органы РДУ и в стенку камеры смешения и регистрировалась самопишущим потенциометром.
Мгновенная мощность РДУ регистрировалась самопишущим ки-ловаттметром. По характеру изменения мощности осуществлялось регулирование процесса приготовления ПКДН и введение очередных порций компонентов смеси. Нарис. 4.7. представлены примеры изменения мощности в рабочем смесителе ДИС-051.
Определение параметров процесса приготовления ПКДН
Схемы на рисунке 3.2 представляют собой не что иное, как технологические графы, где состояние смешиваемой системы соответствует вершинам 0, 1, 2, 3 и 4, а дутр0,і, pij, Р2,з и т.д. соответствуют технологическим процессам смешения, происходящим при переходе системы из одного состояния в другое. Каждая дуга характеризуется своими значениями эффективности (Э],2, Э2,ъ), энергозатратами (Wu, Еи), а также кривыми изменения качества (kj,2 (0)- На схеме б) дуга poj включает в себя процесс подготовки порошкообразного каучука(измельчение, гранулирование). На схеме в) дуга ри характеризует процесс измельчения каучука, и дута р2,з- втирание ингредиентов в частицу каучука с образованием скаток; дуга/?/,з характеризует втирание ингредиентов и наполнителей в неизмельченные частицы каучука. Дуги р23 на схеме б) и р3:4 на схеме в) характеризует процесс домешивания порошкообразной композиции в вязкотекучем состоянии одним их традиционных способов.
Конечные состояния кп у всех трех схем одинаковые. Представляет интерес сравнить на основании собственных экспериментальных и литературных данных: а) суммарные эффективности рассматриваемых трех схем С , С б, С , б) эффективности вариантов порошковой технологии приготовления резиновых смесей по способу б) и в) на каждой из стадий, которым соответствуют дуги графов р,,,-.
Реализация различных вариантов для каждого из трех способов может быть осуществлена на следующих видах оборудования: резинос-месители закрытого периодического действия типа PC («Бенбери»); вальцы; резиносмесители непрерывного действия, червячные машины холодного и горячего питания; смесители сыпучих материалов - плужные , скоростные, шнековые и пр.; измельчители полимеров (эластоме ров) - молотковые, фрезерные; смесители порошкообразных материалов сРДУ.
В таблице 3.1 представлены данные по величине удельных энергозатрат при переработке каучуков и резиновых смесей на различном оборудовании. Информация таблицы 3.1 получена как по экспериментальным результатам автора диссертации - смесителях типа ДИС-051, ДИС-022 и вальцов, так и по литературным данным.
Оценим каждую из стадий, характеризуемую дугой на рис 3.2 технологических схем смешения двумя характеристиками: удельными энергозатратами Еуд и эффективностью смешения Э, при этом относительную величину качества смеси определим через такие «физические» показатели как удельную поверхность раздела фаз или среднюю толщину линий по формулам (3.9) и (3.10), но выражаемым по формуле (3.22) в логарифмическом масштабе
Положим r0 = 50 мм - начальный размер частиц каучука перед смешением; этот размер характеризует начальную ширину полос. Учитывая, что г„=10 2мм =10мкм [8, с. 125] для каждой из вершин графов рис. 3.2., обозначенных кружочками зададим по расчетам и определим по формуле (3.24) значения rt =г(0 и ki=k(u). Результаты представлены на рисунках 3.3, 3.4, 3.5.
Смешение по порошковой технологии с использованием плужного смесителя с РДУ и приготовлением ПКДН.
Удельные энергозатраты, представленные в таблице 3.1, и значения относительного качества смешения, рассчитанные по формуле (3.24) и указанные на рис. 3.3-3.5, позволяют определить по формулам
Эффективность второй стадии процесса смешения на схеме б) -домешивание в вязкотекучем состоянии, соответствующее дуге Р2,з рис. 3.2 и 3.4 и традиционному смешению определяем, предполагая равномерность энергозатрат на единицу увеличения показателя качества, то есть:
В схемах б) и б ) необходимо также учитывать энергию, затрачиваемую на сжатие порошкообразных композиций до состояния сплошной среды при перемешивании на последней стадии, что дает дополнительный прирост энергозатрат.
Используя данные по удельным энергозатратам на домешивание ПКДН в МЧХ, полученные Гольманом A.M. с авторами [3], можно определить. решая обратную задачу, величины г3 и к3, используя формулы
Это означает, что по результатам Гольмана A.M. с авторами толщина полос в ПКДН достигает в среднем 0,36 мм, что близко к представленным данным Воронина А. Д. [9, 14]: гз&5»0,2 мм. Резервы порошковой технологии в отношении повышения эффективности смешения По приведенным выше данным можно сделать следующие выводы. 1. Любой вариант порошковой технологии приготовления резиновых смесей б), б ), в), в ) (таблица 3.2) эффективнее традиционного смешения в вязкотекучем состоянии. 2. При сравнении вариантов б) и в) необходимо учитывать издержки связанные с получением порошкообразного (крошкообразного) каучука для варианта б) : эти затраты связаны либо с энергозатратами на измельчение блочного каучука, либо на получение порошкообразного каучука путем коагуляции и распыления и сушки латекса, а также издержки транспортировки эластомерного порошка с низкой насыпной плотностью. 3. Для сравнения целесообразно взять данные полученные в одинаковых и сопоставимых между собой условиях, а именно в) и в ) (таблица 3.2).
Как видно го этой таблицы показатель эффективности у варианта порошковой технологии с получением ПКДН в 1,5-2 раза выше варианта технологии с простым перемешиванием эластомерного порошка с остальной частью рецептуры.
Возникает вопрос: как повысить эффективность порошковой технологии по варианту получения ПКДН? Какие технические резервы в отношении повышения эффективности имеются?
Поскольку данный вариант включает в себя 3 стадии, то резервы находятся в каждой из этих стадий. Рассмотрим это подробнее.
Первая стадия заключается в эффективном измельчении блочного каучука до частиц заданного размера. Для минимизации энергозатрат на этой стадии необходимо: а) определить оптимальный размер частиц для приготовления ПКДН в плужном смесителе с РДУ на 2-й стадии.
Статистическое исследование попадания частиц в активную зону и кинетические закономерности на основе анализа случайных процессов
Более мелкие частицы могут проходить рабочую зону, сравнительно мало деформируясь и измельчаясь. Это приводит к сильному их нагреву и меньшему расходу мощности и, как следствие, - к меньшему значению критерия Бебриса,за счет меньших коэффициентов трения, больших значений вязкости.
При этом, по-видимому, рост давления Р менее значим, чем снижение коэффициента трения и повышение вязкости.
Эти факты свидетельствуют о существенном влиянии температуры на закономерности процесса и требуют использования неизометрической модели для его анализа.
Повышение частоты вращения ротора также интенсифицирует процесс и приводит к сокращению времени цикла введения свободного наполнителя в полимерную фазу (рис.4.17) за счет роста деформации сдвига (рис.4.18), роста температуры и затрачиваемой РДУ мощности (рис.4.19), увеличения степени измельчения и интенсивности введения свободного наполнителя (рис.4.20).
Частота вращения фрез входит в коэффициенты интенсивности измельчения и деформации сдвига, а также в зависимость модуля от температурно-временных параметров в соответствии с принципом тем-пературно-временной суперпозиции по (3.170). Однако, повышение частоты приводит к резкому возрастанию энергозатрат и уменьшению соотношения между характерным временем воздействия зубы фрезы на частицу и характерным временем релаксации течения (относительного перемещения молекулярных сегментов), что приводит к деструкции и разрушению частиц. В связи с этим существует оптимальная скорость вращения фрез, которая определена экспериментально (совместно с Косте-риным Б.Ю.) и составляет для первого двухроторного РДУ 1800 2000 об/мин при ОфР = 50 мм. Влияние исходного размера YON на изменение среднего размера и объема свободного наполнителя.
Основными физико-химическими и физико-механическими свойствами материалов, участвующих в процессе смешения двух фаз: фазы полимера и фазы свободного наполнителя, являются показатели свойств материала, входящие в математическую модель рассматриваемую в третьей главе.
Среди них необходимо выделить показатели и коэффициенты, определяющие вязкость полимерной фазы /u(G,T) и коэффициент трения (внешнего) r)mp(G, Т) частиц полимерной фазы о рабочие органы и внутреннюю поверхность смесителя; другим показателем является предельная кратность деформации при разрушении (G, Т, V), которая в свою очередь [158, 159, 160] связана с модулем Ем и с вязкостью //, поэтому представляет интерес рассмотреть влияние вязкости ju и коэффициента трения Г]тр.
Вязкость фазы полимера определяется многими факторами: природой полимера и энергией активации физических узлов, "ответственных за вязкотекучесть" [159, 160], наличием и количеством звеньев сополимера, например содержаїшем нитрила акриловой кислоты в СКН, молекулярно-массовым распределением, наличием пластификаторов и т.д..
Мы будем менять в расчетах энергию активации Eafl -"ответственную за вязкотекучесть" - и тем самым изменять вязкость, хотя этот эффект изменения последней можно достичь и иным путем.
Природа наполнителя, определяющая, например, активность технического углерода, также оказывает влияние на характер процессов [8, 99, 9]. Воздействие последнего на процессы связано в рамках нашей модели с двумя основными факторами, характеризующими снижение интенсивности процесса с ростом активности технического углерода (установленных А.Д. Ворониным [9,15]):
Рост энергии активации Еа/1 приводит к росту вязкости, к падению критерия Бебриса и к резкому снижению деформации сдвига (рис.4.21), что обуславливает преобладание измельчения над сдвигом, удлинение цикла смешения ік (рис.4.22) и снижение мощности и роста температуры (4.23), и, связанное, с этим падение коэффициента трения и критерия Бебриса.
Что касается влияния других факторов на вязкость, например, мяг-чителей, то вводя условную эффективную энергию активации (либо имея эмпирическую зависимость Ho(Cf) в (3.181)), можно получить зависимости, аналогичные приведенным на графиках (4.21 - 4.23).
Снижение вязкости увеличивает превалирование деформации сдвига над эффектом растяжения и разрушения частиц в зазоре РДУ и является наиболее существенной особенностью как при приготовлении порошкообразных композиций, так и при измельчении каучуков, сырых резиновых смесей и подвулканизированных отходов.
Связь изменения свойств с деформацией и температурой, а также количествами введенного и свободного наполнителя значительно усложняет математическое моделирование и требует отдельного анализа закономерностей изменения реологических, адгезионных и трибологических свойств материалов. Неточности определения коэффициентов здесь могут привести к неточности модели в целом.
Рассмотрим далее влияние на процесс коэффициента трения через изменение сомножителя г]о в формуле (3.183), что может быть связано, например, с выбором различных типов каучука или наполнителя. на характер и время окончания процессов. Общая тенденция здесь такова - снижение трения ведет к снижению критерия Бебриса и деформации сдвига, падению интенсивности как измельчения, так и введения наполнителя, снижению температуры смеси и мощности, затрачиваемой РДУ.
На рисунке 4.25 представлена зависимость изменения среднего размера ,) и объема свободного наполнителя G(t) в зависимости от коэффициента rjo, стоящего в формуле трения, а на рис.4.26 - изменение мощности и температуры в зависимости от того же коэффициента. Из анализа этих рисунков видно, что падение коэффициента трения до значений ),5-К ,2 качественно изменяет характер процесса: и агломерации, и поглощения наполнителя за рассматриваемое время в конце процесса практически не происходит. Это свидетельствует о чувствительности процессов и их хзршегери к к фсріїци нту внешнего трения и фшегоров, на него влияющих: природы наполнителя и его количества, температуры, свойств каучука (триботехнических, адгезионных). Резкое возрастание агломерации, мощности и второго всплеска на кривой роста температуры также свидетельствует о важности влияния трения.
Влияние основных свойств материалов на процесс
Для практической реализации полученных соотношений и для решения задачи надежного измельчения широкого класса эластомерных материалов, включая каучуки, резиновые смеси, подвулканизованные и вулканизованные отходы, резино-тканевые материалы с полимерной матрицей разной степени структурирования, были разработаны и созданы гранулятор (рис.6.2) и измельчитель (рис.6.3), защищенные патентами и авторскими свидетельствами, описанными ниже.
Для измельчения крупных кусков и блоков эластомера разработаны и созданы грануляторы режуще-стригущего действия ДИС-021 и ДИС-022, устройства которых защищены патентом Российской Федерации RU 2158181 С1 и свидетельством на полезную модель RU 12996 U1. Описание патента и полезной модели приведено в приложении.
Для среднего и мелкого измельчения были разработаны и созданы измельчители фрезерного типа с ситовыми решетками ТС-20, ТС-21 и ТС-22, устройства которых защищены патентами RU 2157316 С1 и RU 2158180 С2. Описание патентов приведено в приложении.
На базе измельчающего оборудования были разработаны, изготовлены и внедрены технологические линии производства резиновых смесей и переработки отходов, представленные далее.
Как видко из схемы (рис.6.1.) на стадии приготовления ПКДН выделено 3 подпроцесса: измельчение, сдвиг, смешение сыпучего. Первые два влияют на величину поверхности раздела смешиваемых компонентов, поэтому для оптимизаций всей схемы резиносмешения в целом, их рассмотрим отдельно.
Удельные затраты энергии в стадии получения ПКДН можно разделить па затраты на измельчение Wz и сдвиг Wr учитывая что затраты на перемешивание плугами We много меньше, чем первые. Итак, Уменьшение толщины полос в процессе приготовления ПКДН достигается как измельчением, так и деформацией сдвига. Условно разделим энергию, подводимую к частице в зазоре на две со ставляющие: Wz и Wr С точки зрения термодинамической теории Рейкера Вайсенберга этот вопрос рассматривался в п. 5.3.1. При разрушении частицы накапливается упругая энергия высокоэластической деформации, которая по сле образования новой поверхности переходит в поверхностную и частично рассеивается. Мы будем относить всю энергию, идущую на деформацию и приводящую к разрушению, к слагаемому Wz в (6.12), хотя это очень приближенно. Для решения интересующей нас задачи необходимо функции завися щей от размерах выделить в каждом слагаемом (6.12), при этом все остальные зависимости останутся в коэффициентах.
Используя формулы (3.72), (3.159), (5.19), (3.161), (5.60) и анализируя экспериментальные данные по кинетике процессов, рассмотренные в 4 главе, будем полагать, что интенсивность энергозатрат [кВт/кг] на измельчение пропорционально квадрату размера X, а на деформацию сдвига размеру X: (гл.4) приходим к выводу, что если бы не было агломерации, то измельчение заканчивалось бы при достижении некоторого размера частиц Х0, зависящего от глубины канавки фрезы РДУ, ширины гребня ротора Ъ, зазора 8 и свойств материала (гл.5).
Случай ky — 0 и kf 0 имеет место при измельчении в ножевых режущих измельчителях, фрезерных измельчителях для значений размеров Х»Хд. Эти условия выполняются для вулканизатов и эластомеров в высокоэластическом состоянии, хотя, как рассматривалось в главе 5 для последних в зазоре РДУ имеет место почти всегда локальный перегрев и переход частью объема в вязкотекучее состояние.
Для больших размеров X преобладает измельчение, для малых - сдвиг. При X -+ Х0 измельчение прекращается и имеет место только деформация сдвига. При этом РДУ как бы переходит из класса режущих машин в вальцы или резиносмеситель.
На практике в производственных условиях ПКДН приготавливается в смесителях типа ДИС-051, показанных во 2-5 главах и ДИС-052, рассмотренном в 5 главе технические данные смесителей представлены в таблице 5.8.
Для ПС ДИС-051 получено свидетельство Российской Федерации на полезную модель RU 3718 U1, в котором предложено устройство для приготовления смесей полимерных материалов, где осуществляется установка и регулирование в зависимости от свойств перерабатываемого материала геометрических параметров РДУ и достигается различная пропорция между измельчающим и смесительным воздействием (kF и ку в формуле 6.15 и 6.16).
Устройство снабжено ножом, размещенным в нижнем створе ножевых головок, а сегментные ножи расположены под ножевыми головками и имеют с ним сопряженную поверхность, при этом все ножи оснащены механизмами их вертикального перемещения. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая поверхность сегментного ножа выполнена граненой. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегментный нож выполнен из нескольких элементов, каждый из которых оснащен механизмом его вертикального перемещения. Устройство но п. 1, отличающееся тем, что нож, размещенный в нижнем створе ножевых головок, снабжен имеющим возможность вертикального перемещения через зазор между ножевыми головками разделительным гребнем в виде двустороннего клина.
Стадия домешивания ПКДН связана с необходимостью довести толщину полос гп до кондиционной Гк ,с одной стороны, и повысить степень однородности по поверхности раздела до требуемой величины. Это связано с необходимостью уменьшить критерий Богданова-Тернера [163] или, что анало 202 гично, улучшить функцию распределения по поверхностям раздела (или ФРД - функцию распределения по деформациям сдвига) [164, с.205-210].
Другой причиной необходимости домешивания является создание гомогенной вязкетекучей смеси и завершение введения и диспергирования технического углерода, остающегося на поверхности сыпучих резиновых смесей.
Практически домешивание можно осуществить на любом оборудовании: резиносмссителях (периодических и непрерывных), вальцах, червячных машинах.
Домешивание на червячных машинах целесообразнее, так как не требует наличия тяжелого оборудования во всей схеме смешения.
Для сравнения эффективности всего процесса резиносмешения по разработанной в данной диссертации технологии с имевшимися ранее проанализируем технологии: а) традіщионную, б) порошковую с использованием порошкообразного каучука, полученного на стадии производства СК, в) порошковую технологию, включающую стадию получения ГЖДН с использованием ПС с однороторным РДУ, эффективность которой мы повысили в данной диссертации и г) оптимальный вариант порошковой технологии с получением ПКДН разработанный по результатам данной диссертационной работы.
