Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и постановка задач исследования 11
1.1. Принципиальные схемы введения наполнителей в полимер при экструзионном методе 11
1.2. Анализ работы функциональных зон одношнекового экструдера 18
1.2.1. Зона загрузки (транспортировки) 21
1.2.2. Зона (плавления) пластикации 25
1.2.3. Зона дозирования (выдавливания) 36
1.3. Диспергирование агломератов наполнителя при экструзии полимерных материалов 40
1.4. Основные выводы по главе и постановка задач диссертационной работы 48
Глава 2. Исследование реологических свойств полиэтилена низкой плотности (высокого давления) с порошкообразным наполнителем 50
2.1. Исследование реологических свойств методом двух капилляров. 50
2.2. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента 55
2.3. Экспериментальные данные и их обработка 63
Глава 3. Теоретический анализ влияния процессов диспергирования порошкообразных наполнителей при экструзии полимеров (в одношнековом экструдере) 74
3.1. Механизм образования и разрушения агломератов порошкообразных наполнителей в одношнековом экструдере 74
3.2. Распределение скорости потока в винтовых каналах зоны дозирования одношнековых экструдеров 87
3.3. Степень диспергирования. Критерий оценки эффективности процессов диспергирования агломератов порошкообразных наполнителей при экструзии полимеров 96
Глава 4. Экспериментальное исследование процессов диспергирования порошкообразных наполнителей при экструзии термопластов 107
4.1. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента 107
4.2. Экспериментальные данные и их анализ 116
Основные выводы по диссертационной работе 121
Список используемой литературы 123
Условное обозначение 133
- Анализ работы функциональных зон одношнекового экструдера
- Описание экспериментальной установки и методики эксперимента
- Распределение скорости потока в винтовых каналах зоны дозирования одношнековых экструдеров
- Описание экспериментальной установки и методики эксперимента
Введение к работе
В чистом виде полимеры, как правило, не обладают заданным комплексом свойств, вследствие чего требуется введение соответствующих добавок (наполнителей, пластификаторов, красителей, стабилизаторов и т.п.), обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства изделий. В связи с этим доля композиционных материалов в общем объеме полимерных материалов возрастает быстрыми темпами. Различной комбинацией полимеров и наполнителей могут быть получены материалы, удовлетворяющие практически всем требованиям. Правильный выбор наполнителя позволяет значительно расширить диапазон свойств полимерных материалов и области их использования.
Немаловажным доводом в пользу применения композиционных полимерных материалов является их экономичность в случае использования дешевых наполнителей для изделий неответственного назначения. При этом экономятся не только полимеры, но и ряд природных материалов, ресурсы которых начали истощаться или переместились в отдаленные, труднодоступные районы.
Наполнители для композиционных полимерных материалов различаются по составу, форме и размерам частиц, свойствам материала и его фазовому состоянию. Наибольшее распространение получили дисперсные наполнители, частицы которых имеют форму сфер, дисков, чешуек, стержней или волокон длиной 10-20лш. Такие наполнители технологичны при переработке, недороги и имеют обширную сырьевую базу.
Особую группу составляют непрерывные волокнистые наполнители в виде нитей, жгутов, тканей различного плетения, используемые для изготовления армированных изделий, отличающихся высокими физико-механическими характеристиками; при производстве таких изделий применяются специфическая технология переработки и оборудование.
Разнообразие полимеров и наполнителей, которые, как было сказано, различаются не только по составу, но и по фазовому состоянию (газообразные, жидкие или твердые) и по форме частиц (порошки, стержни, волокна), обусловило создание разнообразных технологических процессов и оборудовании для их получения и переработки. Используются как непрерывные, так и периодические процессы, дозирующее, смесительное и диспергирующее оборудование для производства и переработки полимерных материалов.
При получении и переработке композиционных полимерных материалов не только происходит усложнение процессов, происходящих в рабочих полостях оборудования и протекающих при переработке «чистых» (ненаполненных) полимеров, но и появляются новые дополнительные процессы - такие как смешение расплава полимера с твердым наполнителем, диспергирование агломератов порошкообразных и разрушение волокнистых наполнителей, ориентация наполнителя, образование пристенного слоя и другие.
Смешение сыпучих материалов (первая стадия получения композитов) наиболее полно освещено в работах [17, 19-21], где дано математическое описание и приведены методы расчета основных видов смесительного оборудования для сыпучих материалов.
Смешению вязких жидкостей и расчету соответствующего оборудования посвящено большое число работ [5-7, 11-13, 35], позволяющих осуществлять обоснованный выбор типа оборудования и оптимальных условий проведения процесса смешения в условиях как ламинарного, так и турбулентного движения перемешиваемых сред.
При расчете процессов смешения высоковязких жидкостей и расплавов полимеров используется совершенно иной подход, что связано с ламинарным характером их течения и практическим отсутствием процессов диффузии. Предложенная А. Бротманом с соавторами [89] методика оценки качества смеси с помощью «толщины полос» -минимального расстояния между слоями с одинаковой концентрацией распределяемого компонента - позволила авторам последующих работ [5, 6, 11, 12, 16] найти основные закономерности процесса и, что самое важное, установить связь качества получаемой смеси с параметрами работы смесительного оборудования. Этот подход был использован для аналитического описания процессов смешения в экструзионном [12] и валковом [90] оборудовании.
Наряду с процессами смешения важную роль играют процессы диспергирования, также протекающие в оборудовании для получения и переработки композиционных материалов. Однако к настоящему времени не разработаны теоретические основы этих процессов, вследствие чего пока не представляется возможным дать их математическое описание. Отдельные работы в этом направлении [16, 18, 23, 30] не дают возможности систематизировать имеющиеся данные и создать общую схему протекания процессов для различных видов наполнителей. Из имеющихся работ можно в качестве основополагающей выделить работу [16], в которой рассматривается модель диспергирования агломератов сферических частиц, позволяющая установить связь степени диспергирования с параметрами процесса. Что касается имеющихся обширных сведений об измельчении и диспергировании монолитных материалов [13, 17], то они к процессам получения и переработки композиционных материалов практически не применимы. В целом состояние проблемы описания процессов диспергирования не позволяет получать количественные данные, которые давали бы возможность прогнозировать степень диспергирования и качество изготавливаемых изделий. Свойства наполненных полимерных материалов исследовались многими авторами [5, 18, 23, 30, 31]. При этом наибольшее внимание уделялось реологическим свойствам, кинетике процессов отверждения реактопластов, некоторым свойствам композиций в твердом состоянии. В то же время число исследований и характеристик компонентов композиционных материалов, важных для построения моделей и создания математического описания процессов диспергирования и смешения, явно недостаточно и не соответствует значимости их процессов при получении и переработки композиций.
Особенно мало публикаций, касающихся исследований влияния конструктивных параметров перерабатывающих машин и технологических параметров переработки на процесс диспергирования различного типа наполнителей полимерных материалов, хотя в последние годы для производства и переработки композиционных полимеров широко используются различного типа экструзионные машины. Достоинством этих машин является возможность совмещения таких процессов как плавление (пластикация) полимеров, непрерывное выдавливание, диспергирование, смешение и дегазация.
При наличии соответствующей оснастки экструдеры можно использовать для получения гранулята и готовых профилированных изделий с различной конфигурацией поперечного сечения.
Большое распространение среди экструзионных машин получили одношнековые экструдеры, свободные от ряда конструктивных и эксплуатационных недостатков двухшнековых машин, а именно: сравнительно сложной конструкции и дорогого обслуживания, гораздо более высокой стоимости, более дорогого ремонта, меньших сроков амортизации. Правда при этом одношнековые экструдеры имеют меньшую и нестабильную производительность, смесительное воздействие их слабее, чем у двухшнековых. В настоящее время усовершенствование одношнековых экструдеров идет в направлении повышения производительности путем увеличения частоты вращения шнека, разработки новых конструкций шнеков [43-47, 50, 58, 78, 81, 86] с целью интенсификации процессов диспергирования и смешения.
Теория одношнековой экструзии (гидродинамика процесса, расчет производительности и мощности привода одношнекового экструдера) в настоящее время подробно разработана трудами отечественных [Балашова М.М., Боярченко В.И., Бостанджияна С.А., Казанкова Ю.В., Кима B.C., Первадчука В.П., Скачкова В.В., Торнера Р.В., Янкова В.И.] и зарубежных [Бернхард Э., Мак-келви Д., Шенкель Г. Тадмора 3. и др.] исследователей.
Однако при этом почти неизученными являются процессы диспергирования наполнителей при экструзии наполненных полимерных материалов.
В то же время выбор оптимальной геометрии шнеков и смесительно-диспергирующих элементов базируется, скорее всего, на экспериментальных данных, с использованием которых проводится компьютерное моделирование процессов, протекающих в рабочих органах экструдеров. Почти полностью отсутствуют исследования в области механизма образования и разрушения агломератов дисперсного наполнителя, влияния геометрических параметров шнека и технологических параметров экструзии на степень диспергирования агломератов наполнителя, неизвестным является критерий качества диспергирования. В настоящей диссертационной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов диспергирования в зависимости от параметров экструзии и геометрии шнека.
На основе анализа экспериментальных данных установлен механизм образования и диспергирования агломератов дисперсных наполнителей при экструзии наполненных полимеров, получены уравнения, позволяющие оценить влияние параметров экструзии и геометрии шнека на процесс диспергирования.
Первая глава посвящена анализу состояния проблемы и постановке задач исследования. Показано что в настоящее время отсутствуют теоретические работы, позволяющие прогнозировать процесс диспергирования порошкообразных наполнителей при экструзии наполненных (композиционных) полимерных материалов, установить влияние геометрии шнека и параметров экструзии на степень диспергирования.
Во второй главе приведены результаты исследования реологических свойств термопластов с порошкообразными наполнителями и влияния порошкообразного наполнителя на реологические свойства термопластов. Получены кривые течения термопласта в зависимости от степени наполнения, которые в дальнейшем используются для проведения необходимых расчетов.
В третьей главе представлены результаты теоретического исследования процессов диспергирования порошкообразного наполнителя в одношнековом экструдере и установлен механизм образования и диспергирования агломератов дисперсного наполнителя, вводится понятие "работа диспергирования" и получены уравнения для расчета величины этой работы в зависимости от геометрических параметров шнека и технологических параметров экструзии.
В четвертой главе изложены результаты экспериментального исследования процессов диспергирования порошкообразных наполнителей в одношнековом экструдере, приведены зависимости работы диспергирования в одношнековом экструдере от конструктивных параметров шнека и технологических параметров экструзии. Диссертационная работа завершается основными выводами, а также рекомендациями ее дальнейшего использования.
Научную новизну диссертационной работы представляют:
1. Показано, что концентрация наполнителя в полимере не оказывает влияния на характер (закономерность) течения расплава композиционного полимерного материала;
2. Установлен механизм образования и разрушения агломератов дисперсного наполнителя при экструзии композиционного полимерного материала;
3. Уравнения для расчета работы диспергирования наполнителя при экструзии композиционных полимерных материалов, учитывающие вклад конструктивных параметров шнека и технологических параметров на процесс диспергирования;
4. Результаты экспериментального исследования процесса диспергирования агломератов порошкообразного наполнителя при экструзии, доказывающие зависимость степени диспергирования от работы и инвариантность степени диспергирования от технологических параметров экструзии.
Автор защищает:
1. Результаты исследования реологических свойств наполненных полимеров в зависимости от содержания наполнителя;
2. Разработанный механизм образования и разрушения агломератов дисперсных наполнителей при экструзии композиционных полимерных материалов;
3. Результаты теоретического анализа процессов диспергирования агломератов порошкообразного наполнителя, на основе которого получены уравнения для расчета работы диспергирования, учитывающие как геометрию шнека, так и параметры экструзии; 4. Результаты экспериментального исследования процессов диспергирования агломератов порошкообразного наполнителя в зависимости от параметров экструзии и геометрии шнека.
Работа выполнена на кафедре «Основы конструирования оборудования» Московского государственного университета инженерной экологии.
Анализ работы функциональных зон одношнекового экструдера
Одношнековый экструдер для переработки полимерных материалов можно рассчитывать как винтовой насос, к которому присоединены машины для транспортировки твердых частиц полимера и машина для их плавления рис. 1.2.
В первой зоне (зона загрузки) полимер находится в твердом состоянии, во второй (зона пластикации) - в виде вязкой массы, состоящей из смеси расплава полимера и твердых частиц, и в третьей зоне (зона дозирования) - в виде жидкости, т.е. полимер полностью расплавлен. Очевидно, что работа одношнекового экструдера в целом должна зависеть от того, как она выполняет эти три отдельных операций (транспортировку твердых частиц, их плавление и выдавливание расплава полимера через головку).
Решающим фактором для перемещения материала в одношнековом экструдере является взаимодействие вращающегося шнека с неподвижными стенками цилиндра. При этом большое значение имеет величина коэффициента трения между материалом и шнеком, а также между материалом и цилиндром, особенно на участке загрузки, который заполнен нерасплавленным и непластифицированным материалом. Чтобы материал вообще мог перемещаться вдоль оси шнека, коэффициент трения о поверхность шнека должна быть малым, а о стенки цилиндра - большим. Если это условие не выполняется, то может происходить вращение материала вместе со шнеком без осевого перемещения.
Большое значение имеет не только механические свойства поверхностей, но и температура. Эффективное продвижение материала в выдавливающей зоне (зоне дозирования) одношнекового экструдера также зависит от множества противоречивых факторов. Действительно, в любом случае при правильно работающей загрузочной зоне шнек создает напор в потоке материала, заполняющего канал нарезки шнека. Однако на величину давления влияют не только работа загрузочной зоны, но и процессы, происходящие в средней (пластицирующей) и выдавливающей (дозирования) зоне.
Напор потока материала, особенно величина максимума давления, зависит от совокупности ряда факторов: вида перерабатываемого материала, характеристики шнека, сопротивления формующего инструмента, параметров технологического процесса (числа оборотов, температуры и т.д.). В принципе эксплуатационные качества машины можно определить, если проанализировать работу каждой из трех зон и рассмотреть совокупность полученных результатов. Введем следующее обозначения: Uj - независимая скорость транспортировки твердого полимера; U2 - независимая скорость плавления полимера; из - независимая скорость выдавливания. Под независимыми скоростями следует понимать такие скорости, с которыми мог бы протекать каждый из этих трех процессов в отдельности, если бы они происходили независимо друг от друга. Когда ц L 3 или и2 оъ говорят, что экструдер работает на «голодном» питании. При таком режиме нарушается стабильность процесса и ухудшается качество полученного изделия (экструдата). Для того чтобы избежать этого, необходимо чтобы о] и2 и3. Если последние неравенства справедливы, то говорят, что зона 3 контролирует процесс. В этом случае процесс более стабилен, а качество экструдата выше по сравнению с режимом, когда контроль процесса осуществлялся другими зонами. Однако, если и3 гораздо меньше и2 и иі, то зона 3 оказывается «затопленной» (режим захлебывания), что ведет к нарушению стабильности. При анализе работы зоны загрузки одношнекового экструдера необходимо рассмотреть вопросы, связанные с конструктивным исполнением этой зоны, ее производительностью и развиваемым давлением [36]. Надежность работы зоны загрузки определяется степенью заполнения винтового канала шнека, а также характером движения полимера. Очевидно, что оба фактора зависят от свойств перерабатываемого материала и конструктивного исполнения зоны загрузки и загрузочного отверстия. Наиболее простое конструктивное оформление зоны загрузки - это гладкий материальный цилиндр с загрузочным отверстием круглого и прямоугольного сечения. Глубина канала выбирается максимально возможной, исходя из условий прочности шнека. Угол подъема винтовой линии нарезки шнека обычно выполняют с шагом, равным наружному диаметру шнека t=D по всей длине, что упрощает технологию изготовления шнека. В таких системах предполагается свободное истечение гранулированного или порошкообразного материала из загрузочной воронки в канал шнека. Для лучшего захвата материала шнеком последний должен иметь коэффициент трения меньший, чем материальный цилиндр. В связи с этим, для повышения коэффициента трения материальный цилиндр в зоне загрузки выполняют с пазами различных конструкций [12. 17] (см рис.1.3). Увеличение производительности в случае применения цилиндров с пазами объясняется изменением характера движения частиц полимера (гранул) вследствие частичного устранения проскальзывания и проворачивания материала на цилиндре. Это приводит к увеличению осевой составляющей скорости движения материала как определяющей производительность зоны загрузки одношнекового экструдера. Глубина и ширина паза должны быть больше определяющего размера гранул (длины или диаметра). Только в этом случае возможно предотвращение проворачивания гранул относительно цилиндра. На производительность зоны загрузки одношнекового экструдера большое влияние оказывает еще и конфигурация и размеры загрузочного отверстия, а также его расположение (ориентация) относительно материального цилиндра экструдера. В связи с этим авторами работ [12, 17] проводились исследования влияния формы загрузочного отверстия и его ориентации относительно винтового канала (рис. 1.4.) на производительность одношнекового экструдера.
Описание экспериментальной установки и методики эксперимента
При этом считают, что поглощение расплавом агломератов твердого полимера не замедляет, а ускоряет процесс их плавления и смешения. Для реализации этого принципа предлагают конструкцию шнека, показанную на рис.1.7,т. Для отделения расплава от твердой массы неспластифицированного полимерного материала в промышленности используют барьерные шнеки (см. рис. 1.8), которые позволяют ускорить процесс плавления и улучшить качество получаемого изделия.
В зоне пластикации (плавления), таким образом, можно выделить две области - область заполненную расплавом полимера и область, где полимер находится в нагретом состоянии, но в виде гранул. Следует ожидать, что области расплава полимера, где действуют напряжения сдвига, будет иметь место интенсивное диспергирование. В области твердой пробки будет происходить процесс трансформации агломератов частиц дисперсных наполнителей.
В шнеках дозирующего типа проще всего анализировать дозирующую зону, потому что к течению расплава в этой зоне полностью применимы законы гидродинамики вязких жидкостей [3, 12, 22, 24, 90].
В дозирующей зоне существуют три основных потока (рис. 1.9). Вынужденный поток (прямой поток) QD представляет собой поступательное течение расплава, которое возникает как следствие относительного движения корпуса и цилиндра при условии, что расплав полимера прилипает к стенкам цилиндра и шнека. Противоток (поток давлением) Qp, который можно рассматривать как течение расплава в обратном направлении, возникающее под действием развивающегося в головке экструдера давления. Третий вид потока - это поток утечки Q. Перепад давления, возникающий вследствие существования повышенного давления в головке, вызывает появление утечки Q5 через кольцевой зазор между гребнем стенки канала шнека и внутренней поверхностью цилиндра. Обычно поток утечки Q по сравнению с двумя с другими разновидностями потока очень незначителен и им можно пренебречь. Производительность дозирующей зоны равна, таким образом, разности между расходом вынужденного потока и расходом противотока и течения утечки:
Вынужденный поток представляет собой поступательное течение расплава, возникающее вследствие существования относительного движения корпуса шнека и цилиндра. Если представить экструдер, на выходе из которого расплав не встречает никакого сопротивления, т.е. отсутствует головка, то в такой машине противотока (потока под давлением) не будет. Расплав полимера, находящийся в пространстве между вращающимся сердечником шнека и внутренней поверхностью цилиндра, подвергается деформации сдвига, которая в результате воздействия стенок винтового канала превращается в поступательное движение материала по каналу, т.е. в вынужденный поток. Основными параметрами, определяющими величину объемного расхода вынужденного потока, являются: глубина канала h, ширина канала W, диаметр шнека D и скорость его вращения.
Противоток возникает в результате существования избыточного давления расплава в головке одношнекового экструдера. Чтобы лучше понять причину появления противотока, представим, что шнек неподвижен, а в головке экструдера имеется избыточное давление. В этом случае винтовой канал шнека рассматривается как длинный насадок прямоугольного сечения. Из-за наличия избыточного давления в головке расплав полимера потечет вдоль винтового канала в обратном направлении. В действительности, противоток представляет собой своеобразное ограничение вынужденного потока, возникающее вследствие существования повышенного давления в головке. Практически в канале шнека никогда не возникает потока материала в обратном направлении. На величину противотока влияют в основном следующие факторы: глубина канала h (рис.1.9), диаметр шнека Д длина зоны дозирования Ld, вязкость расплава и величина давления в головке.
При гидродинамическом анализе зоны дозирования одношнековых экструдеров (аналогия с винтовым насосом) используются следующие общепринятые предположения: a) винтовой канал, образованный нарезкой шнека и стенкой цилиндра, рассматривается развернутым в плоскость (плоская задача); b) считают, что шнек неподвижен, а цилиндр движется со скоростью ис в направлении, перпендикулярном оси шнека (для определения положения частицы жидкости по отношению к шнеку); c) массовыми силами пренебрегают; d) жидкость заполняет винтовой канал полностью и прилипает к стенкам (к поверхностям шнека и цилиндра); e) жидкость несжимаема и температура ее одинакова по всему объему (изотермичность процесса); f) рассматривается прямоугольный профиль винтового канала с постоянными размерами по длине, т.е. поперечное сечение канала не является функцией координаты z\ g) ширина винтового канала W намного больше его глубины h, т.е. W»h. h) учитываются только поперечная их и продольная uz компоненты скорости, предполагая, что вертикальная составляющая и скорости жидкости не оказывает существенного влияния на процесс экструзии, т.е.
Распределение скорости потока в винтовых каналах зоны дозирования одношнековых экструдеров
Процессы сжатия смесей полимера с наполнителем в сухом состоянии, происходящие в зонах загрузки и транспортировки различного оборудования, вызывают образование характерных зон уплотнения, агломерирование дисперсных наполнителей [16, 23] и разрушение длинноволокнистых [16]. При этом характеристика образований зависит от формы, соотношения размеров и взаимного расположения частиц смеси «полимер-наполнитель», концентрации компонентов, приложенного давления и соотношения размеров частиц и полостей, в которых происходит их уплотнение. Возможные случаи взаимного расположения частиц приведены на рис.3.1.
Если смесь состоит из гранул полимера и дисперсного наполнителя с характерными размерами гранул полимера и частиц наполнителя соответственно Dp и Df, причем Dp » Df, при их сжатии образуются зоны уплотнения А, В, С (рис.3.1,а). Последующее плавление полимера в условиях отсутствия сдвиговых деформаций в уплотненной массе приводит к образованию агломератов диаметром Da, распределенных в расплаве и движущихся с ним в рабочих каналах перерабатывающих машин. Поведение таких агломератов зависит от многих факторов. Объемное сжатие материала агломерата должно приводить к его дальнейшему уплотнению и увеличению прочности. Разрушение агломератов в реальных условиях процессов получения и переработки наполненных полимерных материалов может происходить по следующим двум механизмам [27, 28].
Во-первых, за счет сдвиговых напряжений т, действующих в расплаве полимера, происходит отрыв и унос отдельных частиц или их небольших образований с поверхности агломерата, что ведет к постепенному уменьшению его размеров [23]. При этом размеры продуктов разрушения агломерата сравнимы с размерами исходных частиц наполнителя. Этот вид разрушения агломератов приводит к высокой степени диспергирования.
Если величина развивающихся в расплаве касательных напряжений т превышает сдвиговую прочность материала агломерата та, может происходить его разрушение за счет деформаций сдвига, причем размеры продуктов разрушения агломерата будут сравнимы с его начальными размерами.
Во-вторых, могут быть созданы условия приложения к агломерату сосредоточенных сжимающих усилий, например, путем его перемещения в сужающемся канале, один из размеров которого сравним с размерами агломерата. В этом случае происходит разрушение агломерата за счет сосредоточенных сжимающих усилий, аналогичных контактным напряжениям сжатия. Как и в предыдущем случае, продукты разрушения будут иметь размеры, сравнимые с размерами агломератов, что дает низкую степень диспергирования.
Таким образом, сжатие смеси гранул полимера и дисперсного наполнителя в условиях, когда размеры канала больше размеров гранул (у большинства перерабатывающих машин), приводит к образованию агломератов дисперсного наполнителя. Грубое их диспергирование можно осуществить созданием высоких напряжений сдвига в расплаве и продавливанием расплава через каналы, один из характерных размеров которого меньше размеров агломерата. Высокая степень диспергирования достигается за счет уноса отдельных частиц наполнителя с поверхности агломерата под действием касательных напряжений в расплаве полимера.
Если размеры частиц полимера и дисперсного наполнителя сравнимы, то поведение системы при сжатии и последующем плавлении полимера зависит от исходного распределения частиц (рис.3.1,6). Первоначальное равномерное распределение частиц полимера и наполнителя обеспечивает отсутствие образования агломератов и высокое качество смеси после плавления полимеров. Если однородность исходной композиции недостаточна, в процессе ее сжатия и последующего плавления образуются агломераты, свойства и поведение которых аналогичны описанным выше. Распределение размеров агломератов и неоднородность их распределения в массе полимеров оказываются тесно связанными с коэффициентом неоднородности исходной смеси.
При использовании длинноволокнистого наполнителя в смеси с гранулами полимера (рис.3.1,с) или порошкообразным полимером (рис.3.\,d) образуются агломераты волокнистого наполнителя, свойства которых определяются армирующим действием волокон, длина которых Lh сравнима с характерным размером гранул полимера Dp.
Дополнительным эффектом сжатия таких смесей является разрушение волокнистого наполнителя [16].При сжатии смесей в полостях, размеры которых Н сравнимы с размерами частиц полимера Dp, реальное распределение частиц полимера (рис.3.1,е) может быть смоделировано схемой, приведенной на рис.3.1/, где зоны компонента с меньшей концентрацией представлены в виде цилиндров диаметром D и высотой Я.
Соотношение площадей контакта полимера и наполнителя должно быть пропорционально их объемному содержанию в смеси, а равномерность распределения - коэффициенту неоднородности смеси. Что касается свойств и поведения уплотненного дисперсного наполнителя, то они принципиально не отличаются от первого рассмотренного случая.
Описание экспериментальной установки и методики эксперимента
На представленных гистограммах существенно проявляется картина разрушения агломератов, из которой видно, что по мере прохождения смеси по виткам шнека происходит их разрушение, обусловленное действием касательных напряжений на поверхности агломерата.
Также видно, что не исключается попадание на выходе частиц с размерами, совместимыми с размерами высоты канала нарезки шнека, связанное с первоначальными прочностными характеристиками наполнителя или его высокой первоначальной плотностью.
Степень диспергирования рассчитывалась по формуле (3.45), а работа диспергирования по уравнению (3.64). При этом значение эффективной вязкости в уравнении (3.64) определялись по кривым течения (см. рис.2.11) при известных значениях средней скорости сдвига в винтовых каналах шнека, определенных по формуле
Рассчитанным таким образом средним скоростям сдвига по кривым течения определялось соответствующее напряжение, а эффективная вязкость рассчитывалась по формуле
Степень диспергирования, как было отмечено выше, определялась на микротомных срезах, снятых со слепков по всей длине зоны дозирования с шагом, равным диаметру шнека, т.е. на каждом витке винтового канала. Полученные данные представлены на рис.4.6 для разных значений частоты вращения шнека и на рис.4.7 для различных значений концентрации наполнителя. Из рисунков видно, что степень диспергирования инвариантна (не зависит) относительно частот вращения и концентрации наполнителя, а зависит только от работы диспергирования. Это является доказательством правомочности использования работы диспергирования в качестве критерия для оценки эффективности процессов диспергирования агломератов наполнителя при экструзии композиционных материалов.
Из анализа экспериментальных данных можно также рекомендовать следующий порядок расчета процесса диспергирования агломератов частиц наполнителя при экструзии композиционных материалов: 1. Для известной конструкции шнека по уравнению (3.64) рассчитываются значения работы диспергирования для чего по соответствующим кривым течения определяются значения эффективной вязкости //,э0; 2. Строятся графики зависимости работы диспергирования от технологических параметров (коэффициентов дросселирования); 3. С использованием уравнения регрессии (рис.4.6 и рис.4.7) строятся графики зависимости степени диспергирования от работы. При обратной постановке задачи, т.е. известна степень диспергирования, но требуется оптимальная геометрия шнека можно рекомендовать следующий порядок расчета процесса диспергирования при экструзии наполненных полимеров: 1. По уравнению (3.64) рассчитываются значения работы диспергирования для различных значений безразмерной длины W шнека, безразмерной глубины yL винтового канала и коэффициента дросселирования предварительно определив значения эффективной вязкости по соответствующим кривым течения; 1. Независимо от концентрации наполнителя характер кривых течения не изменяется, т.е. для всех исследованных диапазонов концентрации наполнителя расплав «полимер + наполнитель» подчиняется степенному реологическому закону. Об этом свидетельствует эквидистантность кривых течения в логарифмических координатах. 2. Разработан механизм образования и диспергирования агломератов дисперсных наполнителей при экструзии наполненных полимеров. Показано, что в зависимости от величины напряжения сдвига в расплаве полимера возможны различные варианты диспергирования агломератов наполнителя. 3. В качестве критерия для оценки эффективности (интенсивности) процесса диспергирования рекомендуется использовать работу диспергирования при экструзии наполненных полимеров. Получено уравнение для расчета работы диспергирования при экструзии, учитывающее как вклад в работу конструктивных параметров шнека, так и технологических параметров экструзии. 4. Теоретически показано, что с увеличением коэффициента дросселирования (сопротивления формующего инструмента), относительной длины шнека и относительной глубины винтового канала возрастает работа диспергирования.
