Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Котусенко, Борис Владимирович

Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства
<
Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Котусенко, Борис Владимирович. Технология рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного производства : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.06.- Ярославль, 2000.- 187 с.: ил. РГБ ОД, 61 01-5/890-8

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор .

1.1. Волокнонаполненные композиты как конструкционные материалы 3

1.2. Источники и способы получения волокнистых наполнителей. JP

1.3. Формирование структуры резиноволокнистых композитов в процессе диспергирующего смешения .(f

1.4. Влияние волокнистых наполнителей на свойства резин {?

1.5. Применение волокнистых наполнителей в шинных резинах

1.6. Выводы из аналитического обзора и постановка задачи исследования f

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования

2.1. Объекты исследования .?

2.2. Методы исследования

2.2.1. Приборы и методы определения дисперсности волокнистых наполнителей

2.2.2. Приборы и методы изучения процессов получения волокнистых наполнителей из отходов обрезиненных кордов.."

2.2.3. Методы исследования свойств резиновых смесей и физико-механических показателей резин

2.2 А. Методы испытания шин ЭЗ

2.2.5. Расчет напряженно-деформированного состояния элементов

конструкции шин , 3 9

2.2.6, Экспериментально-статистические методы

ГЛАВА 3. Исследование процесса получения волокнистых наполнителей из отходов обрезиненных кордов шинного производства 3

3.1. Изучение отходов обрезиненных кордов шинного производства в качестве источника получения волокнистых наполнителей 7?

3.2. Исследование процесса измельчения отходов обрезиненных кордов в условиях сдвиговых деформаций

3.2.1. Моделирование процесса деформации и разрушения отдельного волокна в движущемся потоке

3.2.2. Моделирование кинетики измельчения волокон в сдвиговом потоке 3.2.3. Теоретическая и экспериментальная оценка кинетики измельчения волокон на валковом оборудовании

3.3. Анализ процесса измельчения резанием ориентированной

резиноволокнистой композиции

3.4. Выбор технологической схемы и разработка режимов

измельчения отходов обрезиненных кордов шинного

производства }{

ГЛАВА 4. Влияние волокнистых наполнителей, полученных измельчением отходов обрезиненных кордов на свойства шинных резин

4.1. Влияние типа волокна в ОРК на свойства шинных резин

4.2 Влияние ОРК обезличенного состава на технологические свойства резиновых смесей и технические свойства резин технические свойства резин &3

4.3. Влияние ОРК на стабильность показателей качества шинных смесей и резин в условиях производства 4

ГЛАВА 5. Проектирование шин, содержащих в различных элементах конструкции волокнистый наполнитель из отходов обрезиненного

5.1. Анализ напряженно-деформированного состояния элементов конструкции шин ?.?

5.2. Рекомендации по конструированию шин, содержащих в различных элементах волокнистые наполнители, полученные из отходов обрезиненного корда

ГЛАВА 6. Внедрение в серийное производство процесса рециклизации отходов обрезиненных кордов

6.1. Внедрение в производство технологии получения ОРК из отходов обрезиненных кордов i.r?

6.2. Освоение технологии производства и испытания шин с ОРК 7\7/

6.3. Испытания и освоение технологии изготовления плит для железнодорожных переездов .г

Выводы

Список библиографических источников

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ. Одно из приоритетных направлений раз-тия шинной промышленности состоит в том, чтобы обеспечить гпуск конкурентоспособной продукции за счет снижения ресур-емкости изделий и создания современных конструкционных ;териалов.

В работах отечественных и зарубежных авторов показана лесообразность использования в элементах шин нового класса нструкционных материалов, так называемых резиноволокни-ых композитов. Это обусловлено спецификой их свойств: ани-тропией, возможностью регулирования модулей, стойкостью к йствию повышенных температур, сопротивлением локальным грузкам и т.д. Однако, несмотря на очевидные преимущества пользования волокнистых наполнителей, на сегодняшний день сутствуют обоснованные рекомендации по применению их в талях шин. Правильный выбор состава резиноволокнистых мпозитов может быть основан только на анализе напряженно-формированного состояния соответствующего элемента конст-кции шины.

Снижение ресурсоемкости изделий возможно за счет ра-іонального использования вторичных ресурсов. В процессе юизводства шин образуются технологически неизбежные отхо-і обрезиненного корда с соотношением корд : резиновая смесь 30:70 % (мае). Из-за отсутствия эффективных способов утили-ции эти отходы переводились в разряд безвозвратных. С уче->м объема отходов, составляющего по шинным заводам в сред-:м 2,1-2,8 % от количества потребляемых в производстве корів, их вполне закономерно рассматривать как серьезный внутрішнії резерв, использование которого открывает возможности ;ачительной экономии первичного сырья. При этом наиболее ономически целесообразным представляется вариант перера->тки отходов в волокнистые наполнители непосредственно на >м заводе, на котором они являются технологически неизбеж-

>1МИ.

этой связи комплексное решение научно-технической проблемі рециклизации отходов обрезиненных кордов шинного произ-ідства по прямому назначению, то есть использование их в ви-! волокнистых наполнителей в элементах конструкции шин яв-іется актуальным и имеет важное народнохозяйственное знание. Работа выполнена в соответствии с областной целевой юграммой "Отходы" (Приложение № 1 к постановлению губер-tTopa Ярославской области от 25.08.1997г. № 530).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование закономерностей дисперг рования отходов обрезиненных кордов с высоким резиносоде жанием на различных типах измельчающего оборудования, ра работка научно обоснованных рекомендаций проектирован] шин с использованием волокнистых наполнителей и создание і этой базе технологии рециклизации отходов обрезиненных ко дов шинного производства, позволяющей осуществлять полн} их утилизацию.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ, решаемые д. достижения поставленной цели:

- исследование механики разрушения волокон в отходах о резиненных кордов в условиях сжатия со сдвигом и сосредот ченного резания;

исследование влияния волокнистого наполнителя из отх дов обрезиненных кордов на упруго-деформационные свойст шинных резин;

анализ напряженно-деформированного состояния отдел ных элементов конструкции шин с использованием резиноволо нистых композитов;

разработка промышленной технологии получения воло нистых наполнителей из отходов обрезиненных кордов шинно производства и применения их в элементах конструкции шин.

Впервые установлена взаимосвязь между параметрами и мельчения отходов обрезиненных кордов с высоким резинос держанием в условиях сжатия со сдвигом и в условиях сосред точенного резания и геометрическими характеристиками проду тов измельчения, что послужило основой разработки нового в; сокоэффективного процесса получения волокнистых наполнит лей.

Предложены модели, позволяющие адекватно оценить проце
разрушения волокна на различных типах измельчающего обор
дования и определить рациональные технологические парамет{
и приемы переработки отходов обрезиненных кордов в волоки
стый наполнитель, пригодный для использования в рецепту
шинных резин. Проведен анализ напряженно-деформированно
состояния отдельных элементов конструкции шин и разработ
ны научно обоснованные рекомендации про
ектирования покрышек с улучшенными упруг
деформационными характеристиками за счет использования р
зиноволокнистых композитов.Новизна разработок отдельні
фрагментов технологии рециклизации отходов обрезиненш

рдов шинного производства защищена 2 патентами Российской гдерации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Технология рециклиза-іи отходов обрезиненных кордов, включающая их использова-іе в виде волокнистых наполнителей в элементах шин и изде-[ях массового назначения, внедрена на ОАО "Ярославский инный завод" и позволяет осуществлять утилизацию всего объ-іа технологически неизбежных отходов.

Разработана рациональная технологическая схема и режимі переработки отходов обрезиненных кордов шинного произ-ідства в новый тип волокнистого наполнителя. Процесс отли-ется простотой аппаратурного оформления и может быть реа-ізован на любом предприятии шинной промышленности.

Разработаны научно обоснованные рекомендации проекти-івания шин с улучшенными упруго-деформационными характе-істиками за счет использованием резиноволокнистых компози-IB, подтвержденные результатами эксплуатационных испыта-ій. Внедрены рецептуры резин обкладочного типа, содержащие >локнистые наполнители из отходов обрезиненных кордов, что )зволило снизить ресурсоемкость изделий.

Создана и внедрена технология изготовления плит для же-:знодорожных переездов с использованием волокнистых напол-ітелей из отходов обрезиненных кордов шинного производства. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты іботьі докладывались и обсуждались на координационном со-:щании "О состоянии законности в сфере оборота промышлен-лх и бытовых отходов" (Ярославль, 1998 г.); шестой Междуна->дной конференции "Наукоемкие химические технологии" /Іосква, 1999 г.); десятом Симпозиуме "Проблемы шин и рези-экордных композитов" (Москва, 1999 г.); региональной научно-іхничєской конференции, посвященной 55-летию ЯГТУ Ірославль, 1999 г.); шестой и седьмой Российских научно-эактических конференциях резинщиков "Сырье и материалы ія резиновой промышленности" (Москва, 1999; 2000г.)

ПУБЛИКАЦИИ Основное содержание работы отражено в 7 гчатных работах. Получено в соавторстве 2 патента.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений и выводов базиру-хя на применении современных методов и средств измерения и ;овлетворительном совпадении результатов численного реше-;ія модельных задач и экспериментальных данных. Справедли-эсть рекомендаций подтверждена в промышленных условиях.

ЛИЧНОЕ УЧАСТИЕ автора состояло в постановке задг разработке теоретических положений, непосредственном уч стии во всех этапах исследования и формулировании выводов.

основные постулаты, выявленные при изучении механн разрушения волокон в отходах обрезиненных кордов в услови сжатия со сдвигом и сосредоточенного резания;

результаты экспериментальных исследований применен волокнистых наполнителей, полученных измельчением отход обрезиненных кордов шинного производства, в шинных резина:

научно обоснованные рекомендации проектирования шин улучшенными упруго-деформационными характеристиками счет использованием резиноволокнистых композитов.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состо из введения, шести глав, выводов, списка бибдиографическ; источников и приложений. Работа, изложенная на 174 стран цах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 36 таблиц библиографию из 208 наименований.

Формирование структуры резиноволокнистых композитов в процессе диспергирующего смешения

Возможные источники получения волокнистых наполнителей делят на два класса - природные и химические /21. Нереально в коротком обзоре не только дать сколь-нибудь полный анализ свойств волокон, но даже и перечислить их типы. Поэтому ниже выделены основные характеристики классов волокнистых материалов, определяющие направления использования их в резинах.

Природные волокна минерального происхождения (асбест) характеризуются высокими удельными прочностями и модулем, термостойкостью, стабильностью размеров /2, с. 479-493/, что обуславливает их использование во фрикционных и термостойких изделиях /4, 5/.

Природные волокна растительного происхождения (хлопок, лен, джут, древесная целлюлоза, шерсть) обладают высокоразвитой поверхностью /6; 7; 8, с. 166; 9, с. 25/ и гидрофильностью /10/, что обеспечивает хорошую эффективность армирования за счет высокой прочности по межфазной границе /6; 7; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18/.

Химические волокна неорганического происхождения (стеклянное, базальтовое) характеризуются высокой прочностью, модулем, устойчивостью к термодеструкции и гидролитическому влиянию /2, с. 587-595; 19; 20; 21, с. 251/, что придает композиционным материалам жесткость и удовлетворительные термические свойства /19; 20; 22; 23/. Однако, стеклянные волокна имеют высокую плотность и инертную поверхность /24/, а также приводят к абразивному износу оборудования/19/.

Химические волокна органического происхождения, полученные обработкой природных полимеров или формуемые из синтетических полимеров, по комплексу свойств превосходят природные волокна растительного происхождения /8; 9; 25; 26; 27/. Это обуславливает широкомасштабное использование органических волокон в различных элементах шин и резинотехнических изделий /28; 29; 30; 31; 32; 33; 34; 35/. Низкая плотность органических волокон /10/ позволяет увеличивать их содержание в композите для достижения большего армирующего эффекта.

Из возможных источников получения волокнистых наполнителей только природный минерал асбест находится в коротковолокнистом состоянии. Однако, в связи со сложностями процесса переработки резин, наполненных асбестом, и отрицательным влиянием его на санитарно-гигиенические условия труда /36; 37/ применение асбеста в качестве волокнистого наполнителя эластомеров ограничено.

Из другого природного волокна - целлюлозы - в США разработан и запатентован /38/ способ получения волокнистого наполнителя (торговая марка "Сантовеб"). Этот способ состоит из превращения нерегенерированной древесной целлюлозы в волокнистую массу с определенной длиной волокон (1-3 мм) и специальной обработки поверхности волокон адгезивами для улучшения диспергирования их в смеси и повышения прочности связи с эла-стомерной матрицей /6; 11; 12; 14; 15; 39/.

В нашей стране разработан аналогичный "Сантовебу" волокнистый наполнитель "Банавис" /40/, представляющий вискозные технические нити, обработанные смесью хлоропренового латекса Л-7 и резорцинформальдегид-ной смолы СФ-282. Основой метода получения коротких волокон с фиксированной длиной является резание пучка принудительно подаваемых бесконечных нитей. Длину волокна регулируют, изменяя скорость протягивания пучка нитей или частоту вращения режущих элементов. Недостатком данного способа является необходимость наличия нитей с длиной, стремящейся к бесконечности, что на практике означает получение коротковолокнистых наполнителей из специально подготовленного дефицитного и дорогостоящего полимерного сырья. В то же время существует целый ряд возможных источников получения волокнистых наполнителей, имеющих конечную длину /3; Альтернативными источниками получения волокнистых наполнителей являются отходы текстильсодержащих материалов, образующиеся в производстве технических тканей, при изготовлении продукции на заводах резиновой промышленности и при переработке изношенных шин и резинотехнических изделий. Эти, так называемые "безвозвратные" отходы не могут быть возвращены в производство без соответствующей обработки /42/.

Классификация текстильсодержащих отходов по источникам образования и составу /3/ позволяет оценить объемы сырьевой базы для получения волокнистых наполнителей.

Текстильсодержащие отходы по виду промышленности делятся на шинные, резино-технические, резинообувные, регенератные, текстильные. По виду ресурсов текстильсодержащие отходы классифицируются на отходы производства и потребления. Отходы производства, за исключением регенератного, содержат в своем составе новые, не подвергшиеся эксплуатации материалы - эластомеры и волокна. Материалы, входящие в состав отходов потребления, в процессе эксплуатации претерпели некоторые изменения структуры и свойств, что, тем не менее, не умаляет их потребительской ценности.

По составу текстильсодержащие отходы бывают текстильными, рези-но-текстильными невулканизованными и резино-текстильными вулканизованными/3; 42/.

Текстильные отходы образуются в производстве текстильных тканей, а также представляют собой остатки нитей, короткометражные куски различных тканей и некондиционного текстиля, образующиеся при трощении нитей, раскрое тканей и т.д.

Невулканизованные резино-текстильные отходы в больших количествах образуются в процессе изготовления шин, заготовок конвейерных лент, клиновых ремней, рукавов и других изделий. Они представляют собой обработанные латексно-смоляными составами и резиновыми смесями кордные, корд-тканевые и тканевые материалы на основе искусственных и синтетических волокон в виде кусков различной длины и ширины.

Резино-текстильные вулканизованные отходы делятся на две категории: отходы производства и отходы потребления. К отходам производства относятся бракованные покрышки с текстильным кордом, клиновые ремни, конвейерные ленты, резиновая обувь и остатки тканей в виде кромок и т.д. К отходам потребления относятся изношенные шины и отслужившие срок резино-технические изделия.

Для эффективного использования текстильсодержащие отходы необходимо привести к виду, удобному для дальнейшей переработки на различных переделах производства - в резиносмесителях, вальцах, протекторных агрегатах и т.д., то есть получить композиции, состоящие из коротких моноволокон, что обеспечивает однородное распределение их в резиновой смеси /3; 42; 43/.

Методы исследования свойств резиновых смесей и физико-механических показателей резин

Определение параметров вязкоупругих свойств резин базировалось на том, что в области скоростей растяжения 3-10" ..0,7 с"1, характерной для технических испытаний резин, зависимость неравновесного напряжения от деформации одноосного растяжения с высокой точностью может быть представлена уравнением /180/: Ж )=/.М+7 1-е 1\ л, (2.5) где т - вязкость системы; X - скорость деформации; т - время релаксации, t - время; fe(A,) - равновесное напряжение. Зависимость равновесного напряжения fs(X) вплоть до разрушения резины хорошо описывается трехпараметрическим уравнением /181/: где Сь С2, С3 - экспериментально определяемые константы, которые позволяют судить о зависимости упругих характеристик резин от величины деформации: Сі - о жесткости резин при А, 1,5; Сг - о снижении напряжения в системе при 1,5 X 2,5; С3 - о росте напряжения в системе при X 2,5. Расчет упругих констант равновесных свойств резин Сь Сг, С з и параметров вязкоупругости г] и т осуществлялось на основании результатов испытаний резин на растяжение с различной скоростью методом наименьших квадратов /60/.

Изучение технологических, физико-механических и других показателей модельных стандартных и производственных смесей и резин проводилось в соответствии с общими требованиями к проведению физико-механических испытаний ГОСТ 269066 /182, с. 331/, а также согласно государственным стандартам, приведенным в таблице 2.3.

Наименование испытаний Номергосударственногостандарта Каучуки и резиновые смеси. Метод определения вулканизационных характеристик на вулкаметре ГОСТ 12535-84 Каучуки и резиновые смеси. Метод определения вязкости и способности к преждевременной вулканизации ГОСТ 10722-76 Каучуки и резиновые смеси. Метод определения пластоэластических свойств на пластометре ГОСТ 415-75 Резина. Метод определения прочностных свойств при растяжении при нормальной температуре и повышенных (теплостойкость) ГОСТ 270-75 Резина. Метод испытаний на многократный продольный изгиб образцов с прямой канавкой ГОСТ 9983-74 Резина. Метод определения сопротивления раздиру ГОСТ 262-79 Резина. Метод определения твердости по Шору А ГОСТ 263-75 Резина. Метод определения динамического модуля и модуля внутреннего трения при знакопеременном изгибе с вращением ГОСТ 10828-75 Резина. Метод определения сопротивления истира-1 нию при качении с проскальзыванием ГОСТ 12251-77

Определение когезионной прочности невулканизованных смесей проводилось согласно методике, описанной в работе /183/. Испытанию подвергались стандартные образцы в виде двухсторонних лопаток толщиной 1 мм и шириной рабочего участка 6,3 мм, которые вырубали, как правило, из калан-дрованных пластин. Когезионную прочность рассчитывали как отношение максимальной нагрузки при растяжении образцов к исходному поперечному сечению образца.

Исследование температурного поля во вращающейся покрышке осуществлялось с помощью бесконтактного пирометра Рейнжер РМ-2 (рис. 2.3). Принцип действия прибора основан на измерении инфракрасного теплового излучения объекта, которое тем интенсивнее, чем выше температура тела. Линза инфракрасного пирометра (2) собирает излучения покрышки (1) на инфракрасном фотоприемнике. Последний дает сигнал напряжения, прямо пропорциональный энергии принятого излучения и, следовательно, связан с?

Прибор для исследования температурного поля во вращающейся покрышке - покрышка; 2 - инфракрасный пирометр; 3 - дисплей ный с температурой объекта. Измеряя выходной сигнал фотоприемника и обрабатывая го, электронная схема прибора, содержащая микропроцессор, вычисляет и отображает на дисплее (3) текущую температуру. Тем самым осуществляется непрерывный документированный контроль изменений температуры во времени.

Станочные испытания шин проводились в соответствии с общепринятой методикой /184, с. 323/. Условия испытания определяются типоразмером покрышки (табл. 2.4).

Примечание. Для шин размера 12.00-20, 9.00R-20, 215/90-15С через каждые 20 тыс. км нагрузку увеличивают на 25 % вплоть до двойной. Для шин размера 165/80Р-13, 175/70Р-13 нагрузка не меняется.

Расчет напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов шины с использованием метода конечных элементов позволяет достаточно точно описывать ее структуру /185/.

Расчетный комплекс, используемый в настоящей работе, представляет собой набор взаимосвязанных программ для персонального компьютера, включающий графические редакторы и специальные графические программы к ним, программы подготовки исходных данных (препроцессор), пакеты прочностного анализа, программы обработки результатов (постпроцессор). От степени взаимосвязанности и автоматизации работы этих программ во многом зависит оперативность выполнения расчетных процедур и степень проработки конструкции шины.

За основу геометрической информации по профилю шины и положению ее деталей берется чертеж распределения материалов в готовой покрышке (по пресс-форме).

В соответствии с чертежом распределения материалов покрышки в готовом виде полуавтоматически генерируется сетка конечных элементов по сечению шины для программы прочностного анализа. Это позволяет применить единый подход к расчету шин различных моделей.

Программа расчета напряженно-деформированного состояния шины на основе пакета конечно-элементного анализа «ANSYS» для персонального компьютера представляет собой «ЛтсЫу8»-приложение. Она позволяет осуществить поиск нужных файлов исходных данных, произвести их диагностику, вывести на экран объемную геометрическую модель шины, выполнить расчеты напряженно-деформированного состояния и представить результаты расчетов в наглядной форме.

Программа «ANSYS» обладает многими возможностями конечно-элементного анализа - от простого линейного статистического до сложного нелинейного динамического (нестационарного). Процедура типового расчета может быть разделена на три основных этапа: - построение модели; - приложение нагрузок (включая граничные условия) и получение решения; - просмотр и анализ результатов. Этап построения модели требует наибольших затрат времени пользователя. Он включает определение типов конечных элементов, их констант, свойств материала и геометрии модели. Свойства материала определяются на основе деформационных кривых. Основной целью на этом этапе является создание адекватной конечно-элементной модели, состоящей из узлов и элементов. При создании конечно-элементной модели используются два метода: твердотельное моделирование и прямая генерация сетки. В первом случае описываются геометрические границы модели, затем программа берет на себя генерацию сетки с узлами и элементами; при этом размеры и форму элементов можно контролировать. Во втором случае «вручную» задается положение каждого узла и осуществляется соединение элементов между собой.

На этапе приложения нагрузок выбирается тип анализа и установление его опций, прикладываются нагрузки, определяются опции для выбора шага по нагрузке и инициируется решение. Под нагрузками понимаются как совокупность внешних и внутренних усилий, так и граничные условия в виде ограничений на перемещения.

Результатом расчетов является большой объем информации, который необходимо представить в наглядной форме, понятной конструктору, на основе чего можно принимать решение по оценке конструкции шины. С этой целью специальные программы (постпроцессор) формируют выходные данные в виде графиков и цветных диаграмм, позволяющих оценить результаты расчета (рис. 2.4).

Исследование процесса измельчения отходов обрезиненных кордов в условиях сдвиговых деформаций

Отходы обрезиненных кордов, образующиеся в процессе производства шин диагональной и радиальной конструкции, являются технологически неизбежными.

При изготовлении деталей для сборки покрышек производят раскрой обрезиненного корда под углом от 25 до 3 5 для шин диагональной конструкции и под углом от 70 до 75 для шин радиальной конструкции /185, с. 156, 273/. Угол раскроя, а, следовательно, количество образующихся отходов обрезиненных кордов определяются типоразмером и конструкцией покрышки. Прикидочный расчет показал, что при выпуске на предприятии шин только радиальной конструкции количество технологически неизбежных отходов обрезиненных кордов должно составлять не менее 1,2 % (мае.) от его потребляемого объема, а при выпуске шин только диагональной конструкции - не менее 3,0 % (мае).

На основании классификации и статистической обработки доступных источников информации было установлено, что в зависимости от ассортимента выпускаемой продукции количество технологически неизбежных отходов обрезиненных кордов, образующихся на предприятиях шинной промышленности, составляет в среднем 2,1-2,8 % (мае.) от их потребляемого объема.

Например, на ОАО «Ярославский шинный завод» нормативное значение технологически неизбежных отходов обрезиненного корда составляло на период 1999 г. 2,65 % (мас.) и по прогнозам должно остаться на этом уровне (Приложение 1). В натуральном выражении количество отходов обрезинен-ных кордов, образующихся ежегодно на ОАО «Ярославский шинный завод» составляет порядка 420-450 тонн. В течение длительного времени эти отходы вывозились на полигон, свалки и накопители.

Учитывая сложность экологической обстановки, и для проведения долгосрочной политики в области в области обращения с отходами на региональном уровне принята целевая программа «Отходы» (Приложение 2), в которой рассматриваются вопросы организации производств по переработке отходов предприятий резиновой промышленности.

В состав отходов обрезиненных кордов, образующихся в процессе производства пневматических шин, входят капроновый, вискозный, полиэфирный и анидный корда, обрезиненные смесью на основе каучука СКИ-3. В настоящее время в шинах используются преимущественно капроновые корда, но в соответствии с «Основными направлениями структурной перестройки химического комплекса» /188/ доля полиэфирных и анидных кордов должна возрастать. Соотношение корд : резиновая смесь в отходах составляет в зависимости от марки корда от 15:85 до 45:55 % (мае).

Как показано в аналитическом обзоре, текстильсодержащие отходы могут являться источниками получения высококачественных волокнистых наполнителей резин при выборе соответствующего способа их переработки. Переработка отходов в волокнистые наполнители может осуществляться на оборудовании двух типов: за счет реализации сдвиговых деформаций и за счет резания (сосредоточенного или несосредоточенного) /3; 42; 43/. Основополагающим принципом процессов измельчения является создание таких условий разрушения, при которых исходный материал с широким спектром размеров и видовой гаммой будет смещаться в сторону меньших размеров вплоть до заданного с получением в конечном итоге продукта, отвечающего требованиям последующих взаимосвязанных технологических процессов /67/. В случае переработки отходов кордов целевым продуктом измельчения является моноволокно с заданными геометрическими характеристиками /43/.

Предлагалось /56/ осуществлять переработку отходов невулканизован-ных обрезиненных кордов в роторных режущих измельчителях с вертикальным валом ротора и отбором целевой фракции из камеры аппарата через сепарирующие решетки. Данный способ достаточно успешно зарекомендовал себя для переработки текстильсодержащих отходов с невысоким резиносо-держанием. Однако при измельчении невулканизованных резино-текстильных отходов с резиносодержанием более 50 % (мае.) этот метод встречает определенные трудности, так как термопластичная резиновая смесь, находящаяся на поверхности текстиля, препятствует распушиванию кордных нитей до моноволокон /43/.

В связи с этим в настоящей работе предложена новая технология получения волокнистых наполнителей из отходов невулканизованных обрези ненных кордов шинного производства. Идея создания технологического процесса состояла в том, чтобы совместить принцип резания, как наиболее экономичный с точки зрения энергетических затрат, с измельчением волокна в максимальной степени ориентированного поперек направления резания. Поскольку при переработке отходов обрезиненного корда принципиально невозможно получить полностью ориентированное волокно, было предложено сочетать два различных вида оборудования: вальцы для измельчения и ориентации волокон в резиноволокнистой композиции и роторные режущие измельчители с горизонтальным валом, обеспечивающие резку волокна поперек направления ориентации.

При обработке резиноволокнистой композиции на валковом оборудовании разрушение волокон происходит в потоке резиновой смеси под действием возникающих сдвиговых деформаций /88/. При измельчении волокон на режущем измельчителе с горизонтальным валом ротора разрушение волокон происходит по механизму сосредоточенного реза путем воздействия на материал, подающийся непрерывно в виде листа в зазор между неподвижным ножом статора и вращающимися ножами ротора. Механизм измельчения на этих двух видах оборудования принципиально различный. В случае валкового оборудования процесс измельчения носит полностью статистический характер. В случае режущего измельчителя подача материала осуществляется с постоянной скоростью, частота вращения ротора с ножами также постоянна, поэтому разрушение имеет детерминированный характер. Статистический характер измельчения возникает лишь в результате распределения волокон по направлениям в резиновой смеси. Как известно /43/, расположение волокон в эластомерной матрице неоднонаправленно, и можно говорить лишь о некотором преимущественном направлении волокон на фоне общего хаотического распределения.

Таким образом, получение волокнистых наполнителей с заданными характеристиками-дисперсного состава из отходов невулканизованных обре-зиненных кордов с высоким резиносодержанием представляет собой сложную техническую задачу. Решение ее сопряжено в первую очередь с исследованием механизма и кинетики измельчения волокон в процессе обработки композиции на указанных видах оборудования.

В силу того, что невулканизованные обрезиненные корда представляют собой сложную систему, в состав которой кроме корда и эластомера входят технический углерод и другие ингредиенты, целесообразным и необходимым представлялось проведение как теоретического, так и экспериментального исследования процессов разрушения волокон в условиях сжатия со сдвигом и сосредоточенного резания.

Два валка, осуществляющих один из самых распространенных технологических процессов - получение резиновых смесей - в случае измельчения являются инструментами разрушения материала. При том, что оба процесса основаны на необходимости преобразования и формоизменения исходных материалов посредством деформации, решаемые ими задачи прямо противоположны. В первом случае резиновые смеси, наполненные волокнами, подвергаются деформации для создания композита с определенной степенью анизотропии и разрушение волокна при смешении является отрицательным фактором. Во втором случае разрушение волокна (т.е. уменьшение его размеров) является целью процесса измельчения.

Поскольку в рассматриваемых отходах обрезинненных кордов шинного производства содержание резиновой смеси превалирует над содержанием текстильной составляющей, было высказано предположение о возможности переноса закономерностей, имеющих место при диспергирующем смешении волокна с эластомерной матрицей, на процесс переработки текстильсодер-жащих отходов в волокнистые наполнители. Однако, имеющиеся данные /84; 88/ не позволяют сделать корректные выводы об использовании вальцов в качестве измельчающего оборудования для переработки отходов обрезиненных кордов в волокнистые наполнители.

В этой связи при изучении процесса измельчения отходов обрезиненных кордов шинного производства необходим анализ механизма разрушения отдельного волокна в сдвиговом потоке с целью оценки распределения вероятностей разрушения по длине волокна и последующего использования общего уравнения кинетики измельчения для получения зависимости фракционного состава волокна от времени обработки смеси на валковом оборудовании.

Рекомендации по конструированию шин, содержащих в различных элементах волокнистые наполнители, полученные из отходов обрезиненного корда

В режущих измельчителях материал разрушается путем резания на части под воздействием концентраторов напряжения - ножей /44/. Резание полимеров как разновидность регулируемого разрушения является сложным процессом, характеристики которого зависят от скорости резания, геометрии режущего инструмента, свойств разрезаемого материала и т.д. При этом измельчители различаются по конструкции и характеру структуры потоков по способу загрузки исходного материала и выгрузки измельченного продукта /194; 195/.

Изучение закономерностей измельчения решается в контексте определенных практических задач. Так, анализ процесса разрушения резанием единичных резинокордных образцов /43; 56/ позволил выявить рациональные конструктивные и технологические параметры процесса измельчения текстильных и резинотекстильных материалов с невысоким резиносодержанием в роторных режущих измельчителях с вертикальным валом ротора и отбором целевой фракции из камеры аппарата через сепарирующие решетки.

Поскольку переработка отходов невулканизованных обрезиненных кордов с высоким резиносодержанием в измельчителях, реализующих несосредоточенный рез, не обеспечивает получение волокнистых наполнителей с требуемыми характеристиками, в настоящей работе исследовалась возможность использования измельчителей другого принципа действия, обеспечивающих рез принудительно подаваемого материала (раздел 2.2.2).

Для осуществления принудительной подачи на режущий измельчитель резино-кордный материал необходимо сформировать в виде листа. Как из вестно /78/, использование валкового оборудования позволяет создать ориентацию волокон в направлении каландрового эффекта. В разделе 3.2.3 показано, что при этом происходит усреднение резиноволокнистой композиции. Таким образом, после обработки на валковом оборудовании на стадию тонкого измельчения поступает сформированная резиноволокнистая композиция в виде непрерывного полотна.

На рис. 3.7 приведена расчетная схема резания резиноволокнистого полотна на станке для тонкого измельчения.

В случае, если бы измельчаемый материал представлял собой бесконечное волокно, ориентированное перпендикулярно к направлению резания (угол между направлением отдельного волокна и направлением движения 0=0), то результатом процесса измельчения было бы получение монодисперсной фракции короткого волокна с размером h. При измельчении аналогичным образом волокон конечной длины результатом явилось бы получение смеси двух фракций волокон: монодисперсной с длиной h и фракции с равномерным распределением по длинам в интервале (0,h). Относительная доля каждой фракции определялась бы в данном случае исходной длиной волокон. В реальном случае измельчению подвергается резино-кордная композиция, содержащая волокна, распределенные по направлениям в телесном угле

Таким образом, задача получения резиноволокнистой композиции с заданными дисперсными характеристиками волокон за один пропуск через зазор измельчителя, состояла в том, чтобы оценить функцию распределения по размерам волокон fx (х), получающихся в результате измельчения волокна с исходной длиной х0 и функцией распределения по направлениям Ф(в). Технологические параметры установки (скорость подачи и частота резания), обеспечивающие управление процессом измельчения определяют фактически только один независимый фактор - расстояние между последовательными резами h.

Как видно из рис. 3.7, длина волокна после резания может быть выражена через расстояние между последовательными резами h и угол между направлением отдельного волокна и направлением движения в

Очевидно, что чем в большей степени волокна будут ориентированы в направлении движения полотна, тем более средний размер резаных волокон будет стремиться к h . Поэтому для получения измельченных волокон со средним размером, не превышающем заданного предела, целесообразно рассмотреть крайний случай: равномерное распределение исходных волокон по углу 0 . Если исходное волокно представляет собой монофракцию с размером хо, то для равномерного распределения по углам Ф() = N с учетом условия нормировки для fx (х) получаем

Полученное выражение может быть использовано для выбора технологических параметров процесса измельчения (шага резания h), обеспечивающих требуемый средний размер волокон при заданном исходном размере х0.

Анализ результатов показывает, что размер получаемого волокнистого наполнителя может меняться в достаточно широких пределах в зависимости от характеристик исходного продукта и параметров процесса резания. Это открывает возможность варьирования условий получения исходного продукта, ориентируясь на минимизацию энергетических затрат процесса измельчения.

Условия проведения процесса измельчения отходов текстильсодержа-щих материалов определяются требованиями, предъявляемыми к геометрическим характеристикам волокнистых наполнителей в последующих технологических операциях.

Теоретический и экспериментальный анализ механизма и кинетики разрушения невулканизованных резинокордных композиций на валковом оборудовании показал (раздел 3.2), что процесс носит статистический характер. Многообразие гранулометрических составов хорошо описывается двух-параметрическими кривыми, при этом один из параметров определяет среднюю длину волокна, а другой - полидисперсность (рассеивание распределения относительно среднего значения). При переработке на валковом оборудовании исходный материал с узким распределением частиц по размерам в начальный момент времени преобразуется во фракцию с высокой степенью полидисперсности, которая уменьшается с увеличением продолжительности воздействия сдвиговых деформаций. Уменьшается и средняя длина волокна. Под воздействием сдвиговых деформаций крученые нити корда раскручиваются вплоть до моноволокон. Однако, интенсивность изменения длины волокна очень низкая и для достижения требуемой степени дисперсности необходим многократный (от десятков до сотен раз) пропуск материала в межвалковом зазоре, что невыгодно с точки зрения энергетики проведения процесса.

В случае режущего измельчителя с принудительной подачей измельчаемого материала в зазор между ножами процесс разрушения носит практически детерминированный характер (раздел 3.3). Размер измельчаемого материала определяется шагом резания. Однако, в силу конструктивных особенностей измельчителя кордные нити только уменьшаются по длине, но не разбиваются до моноволокон.