Содержание к диссертации
Введение
1 Экструзия вспененных полимеров (аналитический обзор) 7
1.1 Анализ техники и технологии экструдирования 7
1.1.1 Экструзионная технология и области применения 7
1.1.2 Экструзионное оборудование 9
1.1.2.1 Экструдеры 9
1.1.2.2 Формующие устройства 13
1.2 Теоретические и экспериментальные исследования потока полимеров на выходе из экструдера 15
1.2.1 Характеристика экструзионных полимерных материалов 15
1.2.2 Описание течения потока полимеров на выходе из экструдера 22
1.2.3 Экспериментальные методы определения реологических характеристик экструдатов 26
1.3 Производство вспененных полимеров 34
1.3.1 Характеристика вспененных полимеров 34
1.3.2 Способы получения вспененных полимеров 37
1.3.3 Динамика образования структуры вспениваемых полимеров 40
1.4 Процесс пенообразования и его описание 42
1.4.1 Характеристика пен и их свойства 43
1.4.2 Динамика образования структуры пен 44
1.5 Постановка задачи 45
2 Теоретические исследования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера 48
2.1 Основные допущения 48
2.2 Уравнение роста газового пузырька в вязкой жидкости 49
2.3 Материальный баланс процесса вспенивания 50
2.4 Тепловой баланс процесса вспенивания 52
2.5 Расчет коэффициента вспенивания 53
3 Экспериментальные исследования формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера 58
3.1 Описание экспериментальной установки 58
3.2 Методика проведения эксперимента 63
3.2.2 Определения реологических свойств исследуемого материала 63
3.2.3 Определения продольного профиля потока вспениваемого полимера 64
3.3 Обсуждение результатов экспериментальных исследований 65
3.3.1 Реологические свойства полимера 65
3.3.2 Проверка адекватности модели 71
4 Разработка устройств для формирования потока вспениваемого полимера 79
4.1 Конструкция устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера 79
4.2 Методика расчета параметров устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера 81
4.3 Пример расчета устройства для формирования потока вспененного полимера на выходе из экструдера 84
4.4 Анализ работы промьппленных устройств для формирования изделий из вспененного полимера на выходе из экструдера 87
Основные результаты работы 99
Литература 100
Приложение 119
- Теоретические и экспериментальные исследования потока полимеров на выходе из экструдера
- Уравнение роста газового пузырька в вязкой жидкости
- Определения продольного профиля потока вспениваемого полимера
- Методика расчета параметров устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера
Введение к работе
Применение изделий из вспененных полимерных материалов непрерывно расширяется в таких отраслях как химическая, пищевая промышленность, строительство, медицина и других. Одним из основных способов формования изделий из вспениваемых полимеров является экструзия. Экструдирование сырья — экологически безопасный, ресурсосберегающий и универсальный процесс. Существующие промышленные экструдеры позволяют перерабатывать широкий спектр полимеров, что является основой для получения вспененных изделий, обладающих различными свойствами.
Для получения вспененных полимерных изделий заданных параметров важно правильно формировать поток вспениваемого полимера на выходе из экструдера. На данный процесс влияют характеристики используемого сырья, технологические параметры и конструкция формующих устройств.
На данный момент отсутствуют надежные инженерные методики расчета формующих устройств для получения вспененных экструдатов требуемой структуры и заданных размеров. Поэтому при внедрении в производство разработанные устройства формования вспененных изделий требуют длительной и дорогостоящей доводки.
Учитывая все вышесказанное, данная работа посвящена исследованию процесса формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера, разработке методов проектирования и расчета формующих устройств экструдеров для получения вспененных изделий, обладающих заданными свойствами и формой, на основе исследования продольного профиля потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера.
Теоретические и экспериментальные исследования потока полимеров на выходе из экструдера
Практически любой продукт, который можно превратить в достаточно пластичную массу подлежит экструдированию [74]. Рассмотрим различные материалы с точки зрения их свойств, способов получения и области применения.
Полимеры - высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Из дешевых заменителей они превратились в незаменимые материалы. Широкое применение определяется их уникальными свойствами, точное знание которых необходимо для рационального выбора технологического режима, установления области оптимального сочетания параметров процесса, правильного обоснования выбора обрабатывающего оборудования [75].
Молекулы полимеров называются макромолекулами и состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие этого они выделены в отдельную группу веществ и имеют ряд специфических свойств. В зависимости от состава макромолекул, подразделяют на органические (природные и синтетические), неорганические и элементоорганические. По форме макромолекул: на линейные (регулярные и нерегулярные), разветвленные и сетчатые. По структуре кристаллического состояния на аморфные (стеклообразные, высокоэластичные и вязкотекучие) и кристаллические [76].
Химические свойства полимеров зависят от их состава, молекулярной массы и структуры. Полимерам свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями, взаимодействия функциональных групп друг с другом и низкомолекулярными веществами и деструкции. Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обусловливает повышение реакционной способности полимеров. Вследствие наличия двойных связей и функциональных групп отдельные макромолекулы могут сшиваться поперечными связями. Примерами образования таких поперечных связей могут быть вулканизация и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые пространственно сшитые структуры. Полимеры могут подвергаться деструкции, т. е. разрушению под действием кислорода, света, теплоты и радиации. Нередко деструкция вызывается одновременным воздействием нескольких факторов. В результате деструкции уменьшается молекулярная масса макромолекул, изменяются химические и физические свойства полимеров, в конце концов, полимеры становятся непригодными для дальнейшего применения. Процесс ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты, т. е. ингибиторы реакции окисления (фосфиты, фенолы, ароматические амины). Стабилизация обычно обусловлена обрывом цепи при взаимодействии антиоксидантов со свободными радикалами, образующимися в процессе реакции окисления [77].
Для изучения процессов нагревания-охлаждения полимера на различных стадиях процесса обработки необходимо знание физических свойств [39, 78]. К этим свойствам относятся удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, плотность и коэффициент температуропроводности. Определение этих величин не регламентировано ГОСТом, но имеется большое число методов по их оценке, применяемых в лабораторной практике [79].
Для полимеров характерны некоторые особенности, такие, как высокоэластическое состояние в определенных условиях, механическое стеклование, способность термореактивных макромолекул образовывать жесткие сетчатые структуры. Механическая прочность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и далее сетчатым структурам [80]. Стереорегулярные структуры имеют более высокую прочность, чем полимеры с разупорядоченной структурой. Дальнейшее увеличение механической прочности полимеров наблюдается при их переходе в кристаллическое состояние. Например, разрывная прочность кристаллического полиэтилена на 1,5...2,0 порядка выше, чем прочность аморфного полиэтилена. Удельная прочность на единицу площади сечения кристаллических полимеров соизмерима, а на единицу массы на порядок превышает прочность легированных сталей. Механическая прочность полимеров может быть также повышена путем добавления наполнителей, например сажи и мела, армированием волокнами, например стекловолокном [77].
Уравнение роста газового пузырька в вязкой жидкости
Учитывая, что при выходе материала из экструдера давление уменьшается до давления окружающей среды, происходит рост пузырей за счет процесса превращения жидкости в газ в результате кипения [135]. Рост газового пузырька радиуса R в вязкой жидкости можно описать уравнением Релея [136]: где Р и Рю - давление внутри пузырька и в жидкости соответственно, Па. С учетом данных предварительных экспериментов силы инерции (первый и второй член уравнения) и поверхностное натяжение на границе полимер - пар не учитываются, тогда получим: 4д- dR Полученное уравнение позволяет проследить динамику роста газового пузырька при течении вспениваемого полимера, вышедшего из экструдера. При течении большинство полимеров проявляют свойства неньютоновской жидкости, следовательно, эффективная вязкость зависит от скорости сдвига. Реологическое состояние модели неньютоновской жидкости описывается уравнением [124]: С учетом движения границы сферического пузыря в неньютоновской жидкости [119] квадратичный инвариант тензора скоростей деформации определяется: Следовательно, эффективная вязкость: Анализ дифференциального уравнения (2.3) показывает, что для его решения необходимо знать перепад давления, характерный для условий процесса, и вязкость данного полимера. При этом следует учитывать зависимость основных параметров от температуры и влажности [27, 52]: Изменение температуры и влажности вспениваемого полимера в результате процесса испарения влаги можно определить, проанализировав изменение влажности и температуры в процессе роста газовых пузырьков. Изменения данных показателей рассмотрим на основе материального и теплового баланса процесса [137].
Материальный баланс процесса вспенивания Учитывая, что масса продукта равна сумме масс всех составляющих фаз, получим: При этом порообразователь находится в продукте, как в жидкой, так и в парообразной фазе, следовательно: Рассматривая процесс пенообразования при постоянном количестве порообразователя в системе в дифференциальной форме, получим: Необходимо учитывать, что при формировании пористой структуры за счет испарения влаги внутрь пузыря, начальная влажность полимера с течением времени будет изменяться, а масса твердой фазы тт останется неизменной. Влажность полимера рассчитывают по формуле: Принимая во внимание уменьшение массы жидкости в полимере в процессе испарения: Приведем уравнение к безразмерному виду. Для этого введем следующие обозначения: где wn - соотношение массы пара и твердой фазы, кг/кг; Шж - соотношение масс жидкой и твердой фаз, кг/кг. Тогда влажность полимера рассчитываем: Учитывая, что масса пара в одном газовом пузырьке продукта равна произведению плотности пара при данной температуре на объем этого пузырька с радиусом Rn получим: Выразим изменение массы пара через изменение радиуса JV пузырьков:
Обозначим количество центров порообразования в единице массы твердой фазы є: Поделив на тт и учитывая формулы (2.12,2.13), получим: При этом плотность пара зависит от температуры t [141], следовательно, тоже будет изменяться со временем: Перепад между давлением внутри газового пузырька и давлением окружающего его полимера определяется давлением насыщенного пара внутри пузырька, зависящего от температуры процесса. Исходя из допущения об адиабатическом характере процесса, можно составить тепловой баланс для вспениваемого полимера на выходе из экструдера. В соответствии с первым законом термодинамики изменение энтальпии системы при адиабатическом процессе равно нулю:
Исходя из этого, можно записать: Учитывая, что энтальпия системы, равна сумме энтальпий фаз, получим
Определения продольного профиля потока вспениваемого полимера
Для проверки адекватности математической модели, описывающей поток вспениваемого полимера на выходе из экструдера, проводились эксперименты по определению продольного профиля потока и его физико-механических характеристик. Под продольным профилем потока подразумевается зависимость радиуса потока вспениваемого полимера от расстояния до выхода из фильеры.
Для определения продольного профиля потока после достижения устойчивого режима работы проводили фотографирование изделий на выходе из фильеры. Полученные снимки обрабатывали на компьютере для определения диаметра потока и его зависимости от расстояния относительно выхода фильеры.
Для определения потерь воды, теряющейся в виде пара в окружающую среду, периодически после выхода на устойчивый режим работы при заданных режимах процесса производили отбор проб экструдата в герметичную упаковку. Отбор проб выполняли за минимально возможное время, с целью исключение потерь влаги в результате процесса сушки, который имеет место в момент выхода из фильеры. В лабораторных условиях определяли массу отобранных образцов (высушивание при температуре 70С до постоянной массы) [147] и геометрические размеры (диаметр и длину).
Для определения количества и размеров пузырей в единице объема в отобранных образцах были сделаны разрезы в продольном и поперечном направлениях. Произведено фотографирование срезов. Исследовали центральную часть продукта, т.е. периферийные области с деформированными пузырями были отделены и при обработке не учитывались. Методом подсчета определено количество пузырей в единице объема вспененного продукта [145].
Для определения начального радиуса пузырьков произведено исследование разрезов невспененных образцов заданной влажности. Выполнено фотографирование срезов и их исследование [112].
Эксперименты производили при различных значениях влажности и температуры полимера и диаметрах выходного отверстия фильеры.
По методикам, изложенным пункте 3.2, были определены реологические свойства исследуемого материала, параметры потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера, необходимые для моделирования, и проведена проверка адекватности разработанной модели.
По результатам предварительных экспериментов установлены основные факторы, влияющие на свойства экструдируемого полимера: температура и влажность полимера на выходе из экструдера.
Границы диапазонов изменения параметров для проведения исследований были выбраны на основании технических характеристик экспериментальной установки и режимов реальных технологических процессов, которые обеспечивают требуемое качество экструдата [148]. При превышении температуры расплава выше 130 С происходит термическое разложение материала, судить о котором можно по изменению окраски продукта. При снижении температуры расплава ниже 100 С отсутствует вспенивание. При повышении влажности выше 21 % продукт имеет деформированную форму и низкое качество. Сырье с влажностью ниже 15 % невозможно перерабатывать на используемом оборудовании, так как повышение вязкости приводит к перегрузке привода экструдера.
Проведение экспериментов при различных скоростях сдвига, приведенных на рисунке 3.6-3.10, показало, что с увеличением скорости сдвига эффективная вязкость исследуемого материала нелинейно понижается для всех значений влажности и температуры материала. Полученные данные показывают, что исследуемый материал имеет свойства неньютоновской жидкости [149].
Методика расчета параметров устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера
Для определения геометрической формы и размеров устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера была разработана методика инженерных расчетов. 4.2 Методика расчета параметров устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера Инженерная методика расчета устройств для формования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера состоит из следующих этапов: определение геометрических размеров фильеры; - определение геометрических размеров насадки; - определение частоты работы режущего устройства. Методика расчета устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований при разработке конструкции, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий. Для расчета устройства для формирования потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера необходимы значения следующих параметров, определяемых экспериментально: - плотность сырья рс (кг/м ); - влажность сырья w, кг/кг; - плотность изделия рщ, (кг/м3); - диаметр изделия Д (м); - длина изделия Lnp (м); - производительность экструдера Q (кг/с); - давление полимера на входе в фильере Р (Па); - реологические свойства сырья p.(dy/dx, w, t), Па-с; - количества центров порообразования в единице массы твердой фазы є, (шт.); - начальный радиус пор Ro (м); - коэффициент использования для вспенивания образовавшегося пара ц. Определяющими геометрическими размерами фильеры являются: - диаметр выходного отверстия d (м); - длина канала / (м); - угол входного конуса fi (). Исходя из заданных значений плотности, определяем фактический коэффициент вспенивания: Так как процесс вспенивания происходит во всех направлениях равномерно, то исходя из заданного диаметра готового изделия, можно определить диаметр выходного отверстия фильеры: Как указано ранее, для расчета диаметра выходного отверстия фильеры эффективный диаметр должен быть скорректирован с учетом поправочного коэффициента Ь, который зависит от свойств материала и определяется экспериментально. Длину канала определяем по известной формуле [52]:
Определение угла входной зоны из формулы: где М— показатель зависящий от температуры; и — показатель чувствительности критической скорости сдвига к изменению геометрии входа. Константы М и и определяют по данным полученным из экспериментов капиллярной вискозиметрии для конических входов с разными углами [154]. Определяющими геометрическими размерами насадки являются: - продольный профиль внутренней поверхности насадки rH =f(l); - длина насадки L„ (м). Для определения геометрических размеров внутренней поверхности насадки сначала необходимо определить продольный профиль потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера с использованием предложенной модели (2.55). В случае экструзии полимера, содержащего растворитель, реологические коэффициенты определяют на основе эмпирических зависимостей. Для полимеров эти параметры зависят от температуры и влажности:
Для определения температуры экструзии по рассчитанному коэффициенту вспенивания и заданной влажности сырья, используют графики режимов вспенивая. Построение графиков проводят по методике, изложенной [138]. Профиль внутренней поверхности насадки должен быть подобен внешнему продольному профилю потока вспениваемого полимера и выполнен с коэффициентом, обеспечивающим наличие зазора от рассчитанного профиля потока для размещения пара, неучаствующего во вспенивании и выделившегося в окружающую среду. Следовательно, профиль внутренней поверхности насадки рассчитывают по формуле: где кп - коэффициент подобия поперечного сечения, зависящий от свойств материала и устанавливаемый экспериментально. На основе данных моделирования продольного профиля потока, полученных в результате решения предложенной системы уравнений, можно определить длину участка вспенивания, которая является определяющей для выбора длины насадки. Получение изделия заданной длины обеспечивается частотой реза v (с"1). Исходя из заданных значений плотности продукта, производительности экструдера и заданной длины, определяем частоту работы режущего устройства:
По рассчитанному коэффициенту вспенивания, заданной влажности сырья и графикам режимов вспенивая, представленных в таблице 4.1, для выбранного сырья определена температура экструзии, составляющая 130 С. На основе математической модели (2.47) получен профиль потока вспениваемого полимера на выходе из экструдера. Эмпирическим способом установлен коэффициент подобия 1 Д.
