Удосконалення конструкції двошнекового екструдера і технології переробки комбінованих полімерів витискуванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

УДК 621.777.4:544.275.7

УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ДВОШНЕКОВОГО ЕКСТРУДЕРА І ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ КОМБІНОВАНИХ ПОЛІМЕРІВ ВИТИСКУВАННЯМ

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сафронов Костянтин Миколайович

Луганськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки молоді та спорту України.

Науковий керівник:	доктор технічних наук, професор, Дядичев Валерій Володиславович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри комп'ютерних наук.
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, професор Драгобецький Володимир В'ячеславович, Кременчуцький національний університет ім. Михайла Остроградського, завідувач кафедри технології машинобудування доктор технічних наук, професор Пєтухов Аркадій Дем'янович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри хімічних технологій полімерних матеріалів

Захист відбудеться «14» квітня 2011 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 29.051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20А.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20А.

Автореферат розісланий «12» березня 2011 р.

Вчений секретар Спеціалізованої

Вченої ради Д 29.051.02, д.т.н., професор Гутько Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво пластмас розвивається сьогодні виключно високими темпами. Обсяг виробництва полімерів подвоюється кожні 5 років. Одним із супутніх ефектів бурхливого зростання виробництва полімерів є одночасне збільшення кількості їх відходів. Разом з тим, відходи полімерів є все зростаючою за масштабами вторинною сировиною, яка може служити для отримання виробів і композицій. В умовах, коли сировинні нафтохімічні проблеми гостро стоять у багатьох країнах світу, певний внесок у вирішення цих питань може внести застосування раціональних способів переробки відходів полімерів.

В основі існуючих методів переробки полімерних матеріалів екструзією лежить технологія їх переробки шляхом продавлювання розплавленої полімерної маси через формуючу голівку екструдера.

Полімерні матеріали широко застосовуються для виготовлення різноманітних електротехнічних виробів, які використовуються в машинах, апаратах і приладах важкої, легкої, харчової промисловості та сільського господарства. В даний час в Україні для виготовлення виробів зазначеного призначення використовуються полівінілхлоридні композиції. Основними позитивними якостями полівінілхлориду є високі показники міцності, хімічна стійкість до дії більшості агресивних середовищ, добрі діелектричні властивості, масло і бензостійкість і знижена горючість. Проте, процедура переробки матеріалів, що мають у своєму складі полівінілхлорид повинна бути максимально короткою і проходити в один цикл через низьку термостабільність матеріалу. Практична реалізація процесів переробки таких вторинних полімерних матеріалів утруднена через недосконалість методики визначення збалансованого складу полімерної суміші, недостатню вивченість поведінки розплаву в зоні видавлювання двошнекового екструдера.

Удосконалення технології та обладнання для переробки комбінованої вторинної полімерної сировини є актуальною науково-практичною задачею, що забезпечує одержання якісних виробів, енерго- і ресурсозбереження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до комплексної науково-технічної програми "Створити й застосувати у виробництво комплекси технологічного обладнання, засоби автоматизації з використанням ресурсозберігаючих технологій" в рамках вирішення проблеми «Про впровадження системи збирання, сортування, транспортування, переробки та утилізації відходів, як вторинної сировини», відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 23 грудня 2004 №2290-IV, з «Основними напрямами економічного і соціального розвитку України», Закону України «Про відходи» (№6187 від 12.03.2010 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення конструкції двошнекового екструдера і технології вторинної обробки тиском комбінованих полімерних матеріалів для підвищення рівня переробки відходів полімерів і поліпшення механічних властивостей виробів, що екструдуються, на основі дослідження реологічної течії розплаву полімеру в зоні видавлювання двошнекового екструдера.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі визначаються і вирішуються такі завдання:

- визначити напрями та методи вдосконалення двошнекового екструзійного обладнання для переробки вторинної полімерної комбінованої сировини, що містить полівінілхлорид, з отриманням якісних виробів;

- розробити методику визначення збалансованого складу полікомпонентних полімерних сумішей для виробництва якісних виробів;

- удосконалити математичну модель течії полімерного розплаву в зоні видавлювання двошнекового екструдера з урахуванням його реологічних властивостей;

- визначити оптимальну геометрію внутрішньої поверхні зони видавлювання двошнекового екструдера, що відповідає підвищенню ступеня переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів;

- провести перевірку адекватності математичної моделі шляхом експериментальних і виробничих випробувань розробленого екструзійного обладнання.

Об'єкт дослідження. Процес екструзійного формоутворення для переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів.

Предмет дослідження. Двошнекове екструзійне обладнання і технологія переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані з використанням законів термодинаміки, математичної статистики і сучасних аналітичних та чисельних методів вирішення систем диференціальних рівнянь. Визначення перепаду тиску в зоні видавлювання виконано на підставі спільного рішення рівнянь рівноваги сил, що діють на елементарний об'єм, і рівняння неньютонівської течії. Експериментальні дослідження виконано з використанням сучасної контрольно-вимірювальної техніки, що серійно випускається промисловістю, і що пройшла державну метрологічну перевірку у встановленому порядку. Кількісна перевірка експериментальних даних і отримання регресійних багатофакторних залежностей виконана методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше встановлено вплив вологості полімерного матеріалу на перепад тиску в двошнековому екструдері та реологічні властивості розплаву, що дозволило визначити технологічні характеристики полімерної суміші та підвищити стабільність процесу екструзії;

- дістала подальший розвиток математична модель об'ємної течії розплаву полімеру в каналах двошнекового екструдера, яка враховує кутову швидкість конусів шнеків, що дозволило визначити розподіл тиску і поля швидкостей в зоні видавлювання;

- вперше встановлено взаємозв'язок технологічних параметрів обробки тиском полімерної суміші та геометричних параметрів форми внутрішньої поверхні зони видавлювання, що дозволяє зменшити час перебування розплаву полімеру в робочій камері двошнекового екструдера і забезпечити підвищення якості готового виробу за рахунок виключення деструкції полімеру.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

- у використанні вдосконаленої технології обробки тиском полімерних сумішей, які містять вторинну комбіновану сировину промислового та побутового походження, що забезпечує підвищення продуктивності екструдера і якість готового виробу за рахунок вдосконалення рецептури суміші;

- у розроблені методики розрахунку рецептури полімерної суміші та математичної моделі руху розплаву полімеру в зоні видавлювання двошнекового екструдера при переробці полімерної суміші, яка містить вторинну комбіновану сировину, для визначення раціональних параметрів технологічного процесу;

- у використанні розробленого модуля зв'язку пакета прикладних програм розв'язання задач технічних обчислень MATLAB і системи аналізу методом кінцевих елементів COMSOL Multiphysics для оптимізації геометричної форми внутрішньої поверхні зони видавлювання двошнекового екструдера з метою виключення застійних зон та забезпечення якості готового виробу;

- у використанні оригінальних конструкцій двошнекових екструдерів з удосконаленою геометрією зони видавлювання для отримання полімерних виробів з вторинних комбінованих відходів промислового та побутового походження з поліпшеною якістю готових виробів за рахунок виключення деструкції розплаву полімеру.

Результати роботи реалізовано у промисловості у вигляді:

- експериментального зразка формуючого вузла двошнекового екструдера для переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів і сумішей, впровадженого на ПП "Сонечко";

- спеціалізованого прикладного програмного забезпечення у вигляді методики визначення оптимального співвідношення первинного, вторинного полімеру і наповнювача, при переробці вторинної комбінованої полімерної сировини на ТОВ «Завод побутової хімії «ДОННА»»;

- результати роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі «Комп'ютерних наук» СНУ ім. В. Даля в розділах курсів «Числові методи», «Моделювання систем», «Науково-дослідна робота студентів».

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень самостійно отримані автором. У результаті досліджень, опублікованих у співавторстві, автором розроблені: методи визначення оптимального співвідношення компонентів полімерної суміші; методика термічного аналізу вторинної комбінованої полімерної суміші; розрахункова схема швидкості полімеру в каналах соекструзійної голівки і визначення її величини методом моделювання; методика розрахунку двошнекового екструдера для переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів; тривимірна математична модель руху розплаву полімеру в зоні видавлювання двошнекового екструдера.

Автор брав участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів методами математичної статистики. Впровадження результатів дисертації в промисловість та навчальний процес здійснювалося за безпосередньої участі автора.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на XVI науково-практичній конференції «Університет і регіон», м. Луганськ, 2010р.; Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених: Комп`ютерні науки для інформаційного суспільства, м. Луганськ, 2010р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 7-и статтях наукових журналів, в 2-х статтях збірників, виданих за матеріалами конференцій. Всього 9 наукових робіт.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаної літератури та додатків. Обсяг дисертації - 193 сторінки машинописного тексту, з яких 1 таблиця на 1 сторінці, 12 рисунків на 10 сторінках, перелік використаних літературних джерел з 129 найменувань на 11 сторінках і чотири додатки на 28 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

сировина полімерний комбінований переробка

У вступі обґрунтовується актуальність розглянутої проблеми, формулюється мета і завдання дисертаційної роботи, її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі проаналізовано проблеми зростання використання комбінованих полімерних матеріалів в Україні, наведено класифікацію найбільш поширених утилізованих полімерів, розглянуто технологічні процеси переробки вторинних полімерних матеріалів, досліджено технологію отримання готових виробів з комбінованих полімерних відходів методом двошнекового видавлювання, проаналізовано існуючі математичні моделі процесів, що відбуваються в двошнекових екструдерах.

Утилізація пластикових відходів є загальносвітовою проблемою із-за дії сміття на навколишнє середовище і екологію планети. Найбільшим рівнем збору і переробки характеризуються відходи з поліетилену - 20%, відходи ПВХ переробляються на 10%, полістиролу - на 12%, поліпропілену - на 17%, ПЕТФ - на 12%.

З існуючих способів утилізації відходів виробів з комбінованих полімерних матеріалів, як з економічної, так і з екологічної точки зору найбільш вигідний спосіб їх вторинної переробки. Це дозволяє за рахунок використання полімерної сировини, що була у вживанні спільно з добавками і первинною сировиною, отримати значну економію первинного полімеру, а, отже, заощадження коштів за рахунок такого використання.

З існуючих видів вторинної полімерної сировини найбільш складними і найменш вивченими є вторинні комбіновані матеріали, що містять полівінілхлорид. Отже, розробка спеціалізованих конструкцій вузлів шнекових машин для процесу екструзії таких матеріалів є актуальною науково-практичною задачею.

З існуючих конструктивних рішень виконання шнекових вузлів екструдерів найбільш придатними до умов переробки вторинної комбінованої полімерної сировини, що містить полівінілхлорид, є двошнекові конструкції. У них матеріал послідовно проходить різні стадії переробки, що визначаються конструктивним виконанням секцій, в результаті, до зони дозування розплав полімеру має структурну однорідність, рівномірне температурне поле. Однак, існуючі конструкції зони видавлювання двошнекових екструдерів не забезпечують необхідної якості переробки для вторинної комбінованої полімерної сировини, що має в своєму складі полівінілхлорид. Використовувані конструкції не дозволяють поєднувати високі тиски переробки, продуктивність, забезпечити рівномірність створюваного тиску і швидкості розплаву, що призводить до термічного розкладання вторинної комбінованої полімерної сировини та зниження якості вторинних виробів.

Проблемам переробки полімерних матеріалів та їх відходів приділяли увагу багато вітчизняних і зарубіжних фахівців, у тому числі В.Є. Гуль, В.С. Кім, Г.Д. Калиновська, Г.А. Бистров, В.В. Дядичев, А.Д. Пєтухов, В.В. Леванічев, Т.М. Терещенко, Е. Бернхард, Д.М. Мак-Келві, К. Раувендаль, З. Тадмор, Р.В. Торнер та ін. Однак, питанням конструювання і розрахунку двошнекових машин для переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів присвячено мало робіт.

Слід зазначити, що в роботах не знайшло достатнього відображення таке питання, як поведінка розплаву полімерної суміші в зоні видавлювання двошнекового екструдера, визначення полів швидкостей і тисків, що визначають якість готового виробу і продуктивність екструзійної установки. Не розглянуті питання створення раціональних конструкцій двошнекового екструзійного обладнання.

Другий розділ присвячений створенню методики розрахунку параметрів процесу видавлювання вторинних полімерних матеріалів у двошнековому екструдері.

На підставі аналізу властивостей вторинних комбінованих полімерних матеріалів було запропоновано методику розрахунку складу полімерної суміші, обробка тиском якої дозволить отримувати якісні вироби з вторинної сировини. Після аналізу складу полімерів, що переробляються як компоненти суміші, були обрані: вторинний полімер виробничих відходів, вторинний полімер з побутових відходів, первинний полімер і наповнювач. У складі кожного з компонентів суміші вже знаходяться наповнювачі, які необхідно враховувати для створення якісної адгезійної структури.

Вторинний полімер використовувався в якості елемента, що дозволяє домогтися необхідної кількості полімерів що переробляються з виготовленням якісних виробів. Зміст вторинного полімеру в межах 55...85% дозволяє отримати виріб з однорідною макроструктурою за умови підтримки необхідних технологічних параметрів процесу.

На номограмі (рис. 1) представлено рекомендовану зону для створення рецептури виробів, що екструдуються, на основі представлених компонентів. Її обмежено наступними значеннями дозувань компонентів - вторинний полімер, - первинний полімер, - наповнювач. На рис. 1 представлені номограми для визначення області з найбільшою сумісністю та утримання вторинного полімеру в модельній суміші.

Таким чином, найбільш вдало перераховані критерії поєднуються всередині області, обмеженої кривими сумісності складу 83...85, первинний полімер 15...18%, наповнювач 5...6% і вторинний полімер 51...54%. Вміст інших полімерів у вихідних компонентах сировини не перевищує 2,5%, що менше рекомендованої області, що обмежена значенням в 5%, тому оптимізація по ньому не проводилася.

Визначний вплив на протікання процесу екструзії і якість одержуваного виробу надають реологічні властивості матеріалів, які в свою чергу, залежать від вологості вихідної сировини, температурного режиму проведення процесу екструзії, тиску в зоні видавлювання і т.д.

Результати вивчення реологічних властивостей полімерних сумішей повинні бути використані при розробці математичної моделі процесу екструзії в'язких полімерних сумішей, що дозволяє прогнозувати поведінку матеріалу в зоні видавлювання двошнекового екструдера.

Однією з найбільш поширених моделей, що описують в'язкі неньютонівські рідини, є модель, що підкоряється ступеневому закону Оствальда-де-Віля:

(1)

де - напруга зсуву біля стінки капіляра, МПа;

- швидкість зсуву біля стінки капіляра, ;

- індекс течії (заздалегідь невідомий).

Індекс пов'язує швидкість зсуву і ефективну швидкість зсуву . Для знаходження коефіцієнтів і проводили реологічні дослідження, ґрунтуючись на методиці безпосереднього використання рівняння ступеневого закону течії для розрахунку перепаду тиску , який виникає при в'язкому перебігу розплаву полімеру в будь-якому заданому простому каналі - капілярі (моделі проточної частини екструзійної головки), і на застосуванні методів двох капілярів і найменших квадратів. Таким чином, були розраховані індекс течії і коефіцієнт , що входять у формулу (1), і визначена їх залежність від температури розплаву в зоні видавлювання двошнекового екструдера і початкової вологості полімерної суміші (рис. 2).

У результаті інтерполяції експериментальних даних були отримані наступні регресійні рівняння:

(2)

(3)

де - початкова вологість полімерної суміші, %;

- температура розплаву полімеру в зоні видавлювання двошнекового екструдера, °С.

Таким чином, отримане рівняння, що описує залежність в'язкості полімерної суміші в зоні видавлювання екструдера від збурюючих чинників процесу екструзії, дозволяє з достатньою точністю прогнозувати її зміну в досліджуваному діапазоні значень факторів.

Розроблено методику розрахунку двошнекового екструдера з шнеками, що зачіпляються. У таких екструдерах виступ гвинтового каналу, що набігає, витісняє розплав з С-подібної секції, утвореної двома шнеками, що знаходяться в зачепленні. Продуктивність двошнекового екструдера з шнеками, що зачіпляються:

(4)

де - примусовий потік, ;

- вимушений потік в бічних зазорах зачеплення, ;

- потік під тиском у цих же зазорах, ;

- потік витоку через зазор між зовнішніми поверхнями гребенів нарізки і внутрішніми поверхнями корпуса, .

З урахуванням отриманих реологічних залежностей (2) і, виходячи з геометрії зачеплення шнеків двошнекового екструдера, отримано значення перепаду тиску по довжині гвинтового каналу:

(5)

де - глибина, шаг нарізки, ширина витка гвинтового каналу, м;

- кількість заходів шнеку;

- діаметр шнеку, м;

- радіуси виступу нарізки та сердечника шнеку, м;

- коефіцієнти форми, які враховують вплив стінок каналу;

- коефіцієнти, що враховують вплив зазору;

- міжвитковий, міжвалковий зазори, м;

- частота обертання шнеків, ;

- довжина бокового зазору, міжвалкового зазору, довжина гвинтового каналу, м;

- вологість полімерного матеріалу, %;

- температура розплаву полімеру, °С.

При малих бічних зазорах зовнішня характеристика двошнекового екструдера зображується прямою, розташованою майже паралельно осі тисків (рис. 3). Це означає, що продуктивність такого екструдера практично не залежить від опору формуючого вузла.

По рівнянню (4) визначається максимальна витрата розплаву екструдату при вимушеному перебігу , , який відповідає і максимальний перепад тиску, створюваний екструдером , Па, при закритому виході . Можна визначити додаткові точки характеристики шнека, підставивши в рівняння (4) значення перепаду тиску, менше максимального. За отриманими значеннями будується залежність об'ємної витрати від перепаду тиску, яка називається робочою характеристикою шнека.

По рівнянню (5) для декількох значень визначається перепад тиску, створюваний екструдером. Отримані значення відкладаються на рис. 3, отримана крива є характеристикою формуючого органу. Робоча точка екструдера знаходиться на перетині характеристик шнека і матриці (рис. 3).

Третій розділ присвячений розробці та дослідженню математичної моделі руху розплаву полімеру в зоні видавлювання двошнекового екструдера з метою одержання оптимальної геометрії внутрішньої поверхні цієї зони екструдера. У зв'язку з тим, що метод кінцевих елементів дозволяє вирішувати задачі течії реологічних рідин у каналах із складною геометрією, було застосовано цей метод.

Для моделювання руху рідини в зоні видавлювання двошнекового екструдера використовувалася програма COMSOL Multiphysics 4.0а шляхом побудови математичної моделі течії неньютонівської рідини в тривимірній області. При цьому крайова задача течії рідини, що записана в генеральній формі для одного скалярного PDE, виглядає наступним чином:

(6)

(7)

(8)

де - коефіцієнти, які є функціями просторових координат і вектора швидкості , а також її просторових похідних ;

- скалярні коефіцієнти;

- вектор, що залежить від просторових похідних залежної змінної ;

- множник Лагранжа.

Верхній індекс в узагальненій граничній умови Неймана означає транспонування, яке у випадку однієї залежної змінної є непотрібним.

Рівняння (6) - рівняння Нав'є-Стокса в приватних похідних. Друге рівняння (7) - узагальнена гранична умова Неймана. Третє (8) - умова Діріхле.

Розроблена тривимірна модель руху розплаву полімеру в зоні видавлювання двошнекового екструдера дозволяє визначити поля швидкостей і тиску в даній області (рис. 4), однак вона не враховує впливу від конусів шнеків екструдера, що обертаються. Для усунення цього недоліку була розроблена математична модель, яка враховує даний збурюючий фактор. Розрахунки проводилися в ряді перерізів з кроком 0,005 м від початку зони видавлювання до входу в формуючий канал матриці. Для обліку впливу обертання конусів шнеків, на характер течії розплаву полімеру в зоні видавлювання при побудові двомірної моделі використано рівняння Нав'є-Стокса в обертовій системі координат.

За отриманими в результаті розрахунків даними проводиться побудова полів швидкостей (рис. 5), що дозволяють визначити наявність застійних зон при русі розплаву полімеру в області видавлювання за відносними швидкостями, що представляють собою відношення абсолютної швидкості в розглянутій точці до середньої швидкості потоку розплаву полімеру в даному перетині.

На підставі результатів математичного моделювання виявлено застійні зони і отримано оптимальну форму зони видавлювання екструдера, що дозволило збільшити продуктивність екструдера за рахунок зменшення опору матриці і поліпшити якість готового виробу.

Для оптимізації форми внутрішньої поверхні зони видавлювання було створено модуль інтеграції пакету прикладних програм розв'язання технічних завдань MATLAB і системи аналізу методом кінцевих елементів COMSOL Multiphysics. У функції модуля входить визначення оптимальної геометричної форми кожного з перетинів зони видавлювання з можливістю отримання тривимірної моделі з оптимізованою внутрішньою поверхнею цієї області.

Для роботи модуля необхідно задати змінювані геометричні розміри, а також верхню і нижню межі їх зміни. В якості критерію оптимальності прийнята максимізація відносних швидкостей по кожному перерізу при дотриманні необхідних геометричних розмірів та продуктивності:

або

де - спосіб визначення швидкості;

- керовані параметри;

- некеровані параметри;

- змінювані параметри геометрії для кожного з перетинів;

- продуктивність екструдера;

- тиск;

- індекс течії;

- ефективна в'язкість.

При використанні типової геометрії зони видавлювання, середня швидкість розплаву полімеру на початковій ділянці знижується в 2,1 рази, що призводить до утворення «застійних» зон. Після оптимізації геометрії зони видавлювання швидкість розплаву полімеру в «застійній» зоні знизилася на 27%, завдяки чому скорочується час перебування розплаву полімеру в робочій камері екструдера, що перешкоджає термічному розкладанню полімеру і сприяє підвищенню якості готового виробу.

Розроблена математична модель руху розплаву полімеру, що враховує вплив від конусів шнеків екструдера дозволяє отримати розподіл тиску по всьому об'єму зони видавлювання для різних технологічних параметрів процесу. Результати математичного моделювання розподілу тиску при визначених технологічних параметрах представлено на рис 6.

Четвертий розділ присвячений експериментальному підтвердженню адекватності, проведених теоретичних досліджень, шляхом експериментальних досліджень на експериментальній установці і виробничих випробувань розробленої зони видавлювання.

Сконструйована і виготовлена експериментальна установка - двошнековий екструдер для дослідження процесу екструзії полімерних сумішей на основі вторинних полімерів та перевірки адекватності математичного моделювання шляхом використання шнеків, виконаних за принципом агрегатування, набору змінних фільєр, розробленої рецептури суміші, набору контролюючих датчиків і регульованих виконавчих механізмів.

Полімерна суміш перед подачею в екструдер піддається дробленню до заданого гранулометричного складу. Так як вона складається з вторинних полімерних матеріалів виробничого та побутового походжень, вибір гранулометричного складу сировини, що екструдується - важлива умова отримання якісних виробів. Від розміру частинок вихідної суміші залежить стабільність завантаження та роботи екструдера і, відповідно, якість готового виробу.

Шляхом експериментальних досліджень визначені рекомендовані для екструдування розміри частинок полімерної суміші з вторинних матеріалів - від 1,6 до 6,3 мм. Використання даного гранулометричного складу дозволить домогтися найкращої якості готового виробу: повного переходу вторинних полімерів в розплав і отриманню однорідного виробу з коефіцієнтом однорідності більше 0,8.

Метою промислових випробувань є порівняння якості виробів, виготовлених з використанням формуючого вузла з класичною геометрією внутрішньої поверхні і розробленої конструкції, а також оцінка впливу основних технологічних параметрів роботи двошнекового екструзійного обладнання на якість виробів.

Методика проведення промислових випробувань включає наступні етапи: виготовлення ряду експериментальних зразків виробів з використанням формуючого вузла з класичною геометрією внутрішньої поверхні і розробленої конструкції для різних технологічних режимів; відбір зразків проб матеріалу з отриманих виробів і проведення лабораторних випробувань по визначенню їх механічних властивостей; якісна оцінка експериментальних даних методами математичної статистики та формулювання основних висновків.

Актуальною практичною задачею є прогнозування механічних властивостей одержуваних екструдатів, а саме, в нашому випадку межі міцності при розтягуванні в подовжньому і поперечному напрямі. У виробничих умовах, коли переробка здійснюється на екструдерах певної конструкції зі строго заданою полімерною сировиною, основними аргументами такої функції виступають технологічні параметри: температура і тиск у формуючому пристрої , частота обертання шнеків nш, а також якісний склад перероблюваної суміші: процентний вміст у суміші вторинної полімерної сировини евп:

(9)

(10)

Методом найменших квадратів знайдено лінійні коефіцієнти цих залежностей, перевірка однорідності дисперсій дослідів проводилися критерієм Кохрена, а оцінка адекватності рівнянь - критерієм Фішера.

Виконавши порівняння матриці з типовою формою внутрішньої поверхні і матриці з розробленою оптимізованої формою внутрішньої поверхні визначили, що межа міцності екструдату при розтягуванні в подовжньому напрямку збільшилася в 1,65 рази, а в поперечному напрямку - в 1,46 рази.

Крім того, для однакової прогнозованої межі міцності при поперечному розтягуванні з використанням зони видавлювання з вдосконаленою формою внутрішньої поверхні можна використовувати у складі суміші на 30% більше відходів, порівняно з типовою формою цієї зони, що забезпечить економію первинної сировини, утилізацію відходів з отриманням якісних виробів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено науково-технічну задачу вдосконалення конструкції екструзійного обладнання та технології переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів з використанням двошнекового екструдера, що забезпечує зростання рівня переробки полімерних відходів, підвищення продуктивності та покращення якості виготовлених виробів.

Основні наукові результати, висновки та практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. На підставі аналізу особливостей властивостей вторинної комбінованої полімерної сировини та якісного аналізу роботи екструзійного обладнання розроблена методика визначення оптимального співвідношення первинного, вторинного полімеру і наповнювача, застосування якої дозволило отримати рецепти сумішей полімерів збалансованого складу.

2. Розроблено функціональну схему двошнекового екструдера, застосування якого дозволяє підвищити якість готового виробу за рахунок інтенсифікації впливу стискаючих зусиль в робочій камері, що викликають багаторазові зсувні деформації полімеру і дозволяють отримати гомогенний розплав екструдату.

3. У результаті дослідження реологічних властивостей полімерної суміші було отримано рівняння, що описує залежність в'язкості розплаву в зоні видавлювання двошнекового екструдера від збурюючих чинників процесу екструзії, що дозволяє з достатньою точністю прогнозувати її зміну в досліджуваному діапазоні значень факторів.

4. З метою раціонального конструювання зони видавлювання двошнекового екструдера розроблені тривимірна модель руху рідини в зоні видавлювання двошнекового екструдера і двомірна модель руху розплаву в зазорі, обмеженому стінками матриці, що враховує кутову швидкість конусів шнеків екструдера з метою точного опису процесу руху розплаву в зоні видавлювання екструдера.

5. На підставі результатів математичного моделювання виявлено застійні зони і отримана рекомендована форма зони видавлювання екструдера, що дозволило збільшити продуктивність екструдера за рахунок зменшення опору матриці і поліпшити якість готового виробу.

6. На підставі промислових випробувань зразків екструдату, отриманих з використанням зони видавлювання з удосконаленою геометрією внутрішньої поверхні і зони видавлювання типової форми, визначено, що межа міцності при розтягуванні зразків, отриманих з використанням удосконаленої зони видавлювання, в поздовжньому напрямку збільшилася в 1,65 рази, а в поперечному - в 1,46 рази, в порівнянні із зразками, виготовленими на двошнековому екструзійному обладнанні з типовою формою внутрішньої поверхні зони видавлювання. Відтворюваність експерименту підтверджується критерієм Кохрена при рівні значущості q=0,05, адекватність математичного опису дослідницьким даним підтверджується критерієм Фішера при рівні значущості q=0,05.

7. Впровадження результатів роботи в промисловості дозволило підтвердити об'єктивність проведених досліджень та отримати економічний ефект у сумі 49,5 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Дядичев В.В. Исследование технологических и конструктивных параметров оборудования для гранулированных экструзионных композиций / В.В. Дядичев, Мухаммед Анис Фахид Аль Фаури, К.Н. Сафронов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2005. - №10 (92). - С. 45-50.

2. Дядичев В.В. Екструдери для виготовлення виробів з полівініл-хлориду / В.В. Дядичев, К.М. Сафронов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2006. - №4 (98) Частина 2. - С. 203-207.

3. Дядичев В.В. Экспериментальные исследования процесса распределения расплава полимерного материала в каналах соэкструзионной головки [Електронний ресурс] / В.В. Дядичев, Т.М. Терещенко, К.Н. Сафронов // ВІСНИК Донбаської державної машинобудівної академії. - 2006. - № 1Е (6). - С. 130-134. - Режим доступу до журн. http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/vddma/2006-1e6/06DVVCHC.pdf.

4. Сафронов К.М. Математичне моделювання течії розплаву полімеру в двошнекових екструдерах / К.М. Сафронов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2008. - №9 (127) Частина 1. - С. 41-44.

5. Терещенко Т.М. Моделирование процесса распределения расплава полимерного материала в каналах соэкструзионной головки [Електронний ресурс] / Т.М. Терещенко, К.Н. Сафронов, А.В. Дядичев // Вісник СНУ ім. В. Даля - електронне наукове фахове видання -2009. - №5. - Режим доступу до журн. http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/vsunud/2009-5E/09ttmksg.htm.

6. Леваничев В.В. Исследование характеристик кольцевого распределительного канала экструзионной головки / В.В. Леваничев, К.Н. Сафронов, И.В. Дядичева // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010. - №9 (151) Частина 2. - С. 59-66.

7. Сафронов К.Н. Исследование полимерной смеси методами термического анализа / К.Н. Сафронов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010. - №9 (151) Частина 2. - С. 96-100.

8. Дядичев В.В. Термогравіметрія як метод дослідження вторинних комбінованих полімерних сумішей / В.В. Дядичев, К.М. Сафронов // Тези доповідей XVI Науково-практичної конференції "Університет і регіон: проблеми сучасної освіти" 27-28 жовтня 2010 року. - 2010. - С.309-313.

9. Дядичев В.В. Комп'ютерне моделювання руху полімеру по зонах двошнекового екструдера методом кінцевих елементів / В.В. Дядичев, К.М. Сафронов // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених: Комп`ютерні науки для інформаційного суспільства - Луганськ: Вид-во "Ноулідж". - 2010. - С. 149-150.

АНОТАЦІЯ

Сафронов К.М. Удосконалення конструкції двошнекового екструдера і технології переробки комбінованих полімерів витискуванням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05. - процеси та машини обробки тиском. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі удосконалення конструкції екструзійного обладнання та технології переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів з використанням двошнекового екструдера, що забезпечує підвищення продуктивності та покращення якості виготовлених виробів. Розроблено конструкцію зони витискування двошнекового екструдера для переробки полімерних сумішей, що містять вторинну комбіновану сировину. Конструкція зони забезпечує прискорене просування полімерної суміші по зоні витискування та створення на виході розплавленого полімерного потоку з стабілізованими тиском і продуктивністю. Розроблено математичну модель течії розплаву полімеру в зоні витискування двошнекового екструдера з метою визначення застійних зон, наявність яких негативно відбивається на якості готових виробів, та розробки нових конструкцій формуючих вузлів двошнекових екструдерів шляхом моделювання їх з постійним кроком по довжині зони витискування.

Ключові слова: екструзія, двошнековий екструдер, зона витискування, застійна зона, вторинна суміш, комбінований полімерний матеріал, швидкість зсуву, математична модель, метод кінцевих елементів, коефіцієнт однорідності.

АННОТАЦИЯ

Сафронов К.Н. Совершенствование конструкции двухшнекового экструдера и технологии переработки комбинированных полимеров выдавливанием. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. - процессы и машины обработки давлением. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи совершенствования конструкции экструзионного оборудования и технологии переработки вторичных комбинированных полимерных материалов с использованием двухшнекового экструдера, что обеспечивает повышение производительности и улучшение качества изготавливаемых изделий. Разработана конструкция зоны выдавливания двухшнекового экструдера для переработки полимерных смесей, содержащих вторичное комбинированное сырье, методом экструзии. Конструкция зоны обеспечивает ускоренное продвижение полимерной смеси по зоне выдавливания и создание на выходе расплавленного полимерного потока со стабилизированными давлением и производительностью. Разработана математическая модель течения расплава полимера в зоне выдавливания двухшнекового экструдера с целью определения застойных зон, наличие которых негативно отражается на качестве готовых изделий, и разработки новых конструкций формующих узлов двухшнековых экструдеров путем моделирования их с постоянным шагом по длине зоны выдавливания.

Ключевые слова: экструзия, двухшнековый экструдер, вторичная смесь, комбинированный полимерный материал, зона выдавливания, застойная зона, скорость сдвига, математическая модель, метод конечных элементов, коэффициент однородности.

ABSTRACT

Safronov, K.M. Improving the design of twin-screw extruder and processing technology of combined polymer extrusion. Typescript.

Dissertation for the candidate of technical sciences degree, specialty 05.03.05. Processes and pressure processing equipment. Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, Lugansk, 2010.

The dissertation deals with the scientific and technical questions of improving co-rotating twin-screw extruder design and technology for secondary composite polymeric materials processing. This will ensure increased productivity and improved quality of manufactured products.

The construction of twin-screw extruder pumping zone for processing of polymer blends containing recycled materials was developed. The design ensures the accelerated flow of the polymer mixture melt on the area and provides an output polymer flow with steady pressure and performance.

The methodology for calculating of the optimal composition of multicomponent polymer blends was developed. Its application allows to increase the stability of plastics processing and performance of the extruder.

The methodology for the co-rotating twin-screw extruder design was developed. It allows to determine the flow/pressure characteristics of the shaping and working bodies, the pressure drop and performance of the extruder. The technique allows to determine the basic geometric dimensions of the extruder.

The functional diagram of twin-screw extruder was designed. It enhances the quality of polymer processing compared to extruders, available today. This is achieved by intensifying the impact of compression forces, causing repeated shear deformation of the polymer melt. It makes possible to extend the technological capabilities of the extruder for polymer materials processing.

With purpose of rational twin-screw extruder pumping zone design an algorithm for constructing a mathematical model of the polymer melt was developed. The algorithm takes into account the mutual influence of flows. It is based on the application of the finite element method, that allows to solve the problem of a rheological fluids flow in channels with complex geometry.

A mathematical model of polymer melt flow in the pumping zone of twin-screw extruder was developed to determine the dead zones. Based on the simulation results optimal unit shape design was obtained. This has increased the productivity of the extruder by reducing the resistance of the matrix and improved the quality of the extruded product. When using standard pumping zone geometry the average rate of polymer melt in the initial portion is reduced in 2,1 times. This leads to the formation of a "stagnant" zones. After optimizing the geometry of the pumping zone the rate of the polymer in the "stagnant" zone decreased by 27%. So this reduces the polymer melt residence time in an extruder. The optimization process was carried out for each section of the pumping zone with a constant step along the pumping zone. An application of optimized pumping zone should prevent the thermal degradation of the processed material.

Investigations were held out using the experimental setup and industrial equipment. They confirmed the adequacy of the mathematical model. The effect of polymer materials moisture on the rheological characteristics of polymer blends was identified. It allows with sufficient accuracy to predict its variation in the experimental range of factors. As well a relationship of the secondary polymer mixture uniformity with a tensile strength of derived products was defined.

Results have been implemented at the domestic chemistry plant "Donna" (Lugansk) and PE "Sonechko" (Lugansk).

Key words: extrusion, twin screw extruder, pumping zone, secondary mixture, the combined polymer, stagnant zone, the shear rate, mathematical model, finite element method, the coefficient of uniformity.

Размещено на Allbest.ru

...