Введение к работе
Актуальность работы.
Несмотря на большие научные достижения в теории и практике переработки большого класса пластмасс, таких как гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты, реактопласты, эластомеры и их смеси) в отраслях перерабатывающих наполненные дисперсные композиции доминирует эмпирический подход при проектировании и эксплуатации оборудования для их подготовки и формования.
До настоящего времени для большинства видов наполненных дисперсных композиций не удается, не только оптимизировать, но даже стабилизировать процесс шнекового формования в силу недостатка знаний о физико-механических свойствах этих систем, в частности степени завершения процесса пластификации и, как следствие, выбор неоптимальных технологических параметров формования и конструкции шнекового пресса. В этом случае главной проблемой является потеря устойчивости процесса формования наполненных дисперсных композиций, часто называемая срывом массы - по сути своей прекращение процесса формования.
Нестабильность процессов шнекового формования наполненных дисперсных композиций и отсутствие прогноза потери устойчивости выявили необходимость более тщательного изучения их физико-механических, как результата набухания и растворения твердых частиц полимера, и построения математической модели процесса взаимодействия дисперсной фазы наполненных дисперсных композиций с дисперсионной средой, позволяющей прогнозировать реологические свойства перерабатываемой композиции с учетом широкого спектра воздействующих факторов.
Сложность и непредсказуемость поведения наполненных дисперсных композиций в процессе деформирования подчеркивает важность точной постановки задачи исследования, выбора инструмента исследования и достоверной интерпретации результатов исследования физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций, в виде адекватного математического описания.
Таким образом, проблема заключается в необходимости разработки научно-обоснованных методов и методик исследования, для обеспечения устойчивой работы шнекового оборудования при переработки наполненных дисперсных композиций с
одновременным совершенствованием как собственно оборудования, так и поиска оптимальных решений технологической реализации процесса.
Цель и задачи работы. Цель работы - совершенствование процессов пластификации и формования наполненных дисперсных композиций, разработка новых методик исследования структурных, вязкостных и физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций, новых конструкций оборудования для их переработки в готовое изделие, а также разработка пакета моделирующих программ для аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций».
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
выявить закономерности процесса взаимодействия наполнителя дисперсных композиций с дисперсионной средой;
разработка методик расчета структурных характеристик наполненных дисперсных композиций;
изучение и моделирование вязкостных свойств наполненных дисперсных композиций;
определение физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций;
разработка методики оценки формуемости наполненных дисперсных композиций с использованием математической модели одношнекового пресса;
определение условий, обеспечивающих устойчивость процесса одношнекового формования наполненных дисперсных композиций;
разработка аппаратно-программного комплекса для исследования, проектирования и управления процессом переработки наполненных дисперсных композиций.
Научная новизна:
Для обеспечения устойчивой работы аппаратов, используемых в процессе переработки наполненных дисперсных композиций, на примере системы «нитрат целлюлозы - растворитель формальглицерин» (НЦ-ФГ), осуществлен выбор состава композиции, реализующий необходимый комплекс физико-механических свойств. Чтобы решить эту проблему были проведены следующие исследования:
-
Получены новые данные по влиянию фракционного состава и размеров частиц на порозность наполнителя дисперсных композиций. Впервые разработана методика расчета структурных характеристик наполнителя, содержащего частицы произвольной геометрической формы и размера.
-
Получены новые данные по кинетике набухания сферических частиц полимера в растворителе и впервые разработана математическая модель процесса набухания и растворения полифракционного полимера в растворителе.
-
Получены новые данные о влиянии на вязкость дисперсной композиции размеров частиц и фракционного состава наполнителя. Впервые разработана методика, позволившая рассчитать вязкость наполненных дисперсных композиций с учетом влиянием различных факторов: фракционного состава, размера и формы частиц полимера, концентрации дисперсной фазы, температуры, скорости сдвига.
-
Предложенная в настоящей работе интегральная характеристика уплотнения концентрированных растворов нитроцеллюлозы - модуль удельной работы уплотнения, служит экспресс-оценкой степени пластификации, и дает возможность оперативно определять формуемость (перерабатываемость) этих растворов.
-
Методом анализа кривых ползучести в режиме постоянного напряжения сдвига определен предел текучести, как максимальное напряжение сдвига, при котором в течение заданного времени не происходит когезионный разрыв образца.
-
Показано на основании исследования сдвиговой прочности концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине, как основного показателя сверханомалии, что эти растворы следует отнести к классу наполненных дисперсных композиций.
-
Разработанная методика изучения свойств концентрированных растворов нитроцеллюлозы, в которой в качестве инструмента исследования использовалась математическая модель одношнекового пресса, позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований и оценить в совокупности физико-механические свойства с точки зрения формуемости растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине различных составов на любом другом прессе.
-
Разработанная методика определения границы области устойчивости с заданным запасом устойчивости позволяет прогнозировать потерю устойчивости
шнекового формования в широком диапазоне изменения технологических параметров: температуры, концентрации растворителя, давления прессования.
Практическая значимость и реализация результатов заключается в их использовании при прогнозировании поведения наполненных дисперсных композиций и обеспечения устойчивой работы технологического процесса при переработке их в готовое изделие с учетом возможных отклонений физико-механических и структурных характеристик на стадии подготовки наполненных дисперсных композиций и сверханомального их поведения. Практическая реализация включает:
-
Разработаную программу расчета и оптимизации структурных характеристик полифракционного наполнителя дисперсных композиций.
-
Использование методик оценки вязкостных свойств наполненных дисперсных композиций как в случае «инертной», по отношению к наполнителю, дисперсионной среды, так и для случая, когда дисперсионная среда является растворителем для наполнителя (на примере системы «нитроцеллюлоза - формальглицерин»).
-
Полученная трехфакторная зависимость плотности растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине от давления, содержания растворителя и температуры может быть использована в качестве математического описания плотности этих растворов в любой модели процесса переработки, том числе с использованием шнековых прессов.
-
Показано, что уравнение Балкли-Гершеля, одним из параметров которого является предел текучести, хорошо аппроксимирует экспериментальные кривые течения растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине.
-
Доказано, что критический индекс прочности может служить мерой устойчивости сдвигового деформирования концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине.
-
Разработана методика оценки формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы позволяющая определить границы области неустойчивости формования для различных составов «нитроцеллюлоза - формальглицерин».
-
Аппаратно-программный комплекс «Исследование и переработка пластмасс» (с 2011 года «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций») в 2010 году успешно апробирован в ОАО «Пластик» в качестве:
- автоматизированной системы исследования физико-механических свойств
пластических масс в процессе их получения и переработки;
- автоматизированной системы проектирования узла пластификации и
формования пластических масс;
- подсистемы информационного обеспечения гибкого автоматизированного
производства, обеспечивающей оперативное планирование загрузки и выбор
оптимальных режимов работы узла пластификации и формования пластмасс в составе
технологических линий многоассортиментного производства.
-
Научно-технический Совет ОАО «Научно-исследовательский институт лакокрасочных покрытий с опытным машиностроительным заводом «Виктория»» принял решение об использовании разработанного АПК «Исследование и переработка пластмасс» в процессах получения порошковых лакокрасочных материалов и композиционных материалов различного назначения с использованием шнекового оборудования. Рекомендовано использования АПК для повышения квалификации и тренинга руководящих работников и специалистов по направлению «Управление процессом переработки высоконаполненных дисперсных композиций на шнековом оборудовании в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов и изготовление гранулированных материалов для агропромышленного комплекса» в рамках организуемого в Московском регионе химико-технологического инновационного кластера НП «XT кластер».
-
Для снижения энергоёмкости и повышения устойчивости процесса формования и качества гранулята разработаны новые конструкции многоканального пресс-инструмента и втулки шнек-пресса. Конструкции защищены авторским свидетельством и патентами РФ.
Личный вклад автора. Автору принадлежит: обоснование цели и задачи работы, решающая роль в выборе методов исследования, непосредственное участие в исследованиях, научные результаты (анализ, обобщение и выводы), прикладные результаты и их внедрение в промышленность.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Химреактор -II». Харьков, 1992; Inter, sem. «Monolith Honeycomb supports and catalysts». St.
Petersburg, Russia, 1995; 2-ой Международной конференции, посвященной памяти академика Г.К. Борескова. Новосибирск, 1997; 12і International Conference «Process Control '99». Bratislava. 1999; 14th Internathional Congress of Chemical and Process Engineereng. Praha, Czech Republic. 2000; 2-ой Международной конференции «Образование и устойчивое развитие общества». Москва. 2004; Международной конференции по химической технологии XT - 07, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.М. Жаворонкова, Москва 2007; XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24». Киев. 2011.
Список публикаций. По теме диссертации опубликованы 50 научных работ, из них 16 статей в научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. Новизна разработок защищена 1 авторским свидетельством СССР и 4 патентами РФ. Результаты работы в области применения новых конструкций шнековых прессов в химической технологии использованы в учебном процессе РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложений и изложена на 373 страницах, содержит 137 рисунков и 44 таблицы. Список литературы из 335 наименований.
