Моделювання процесів змішування полімерів при розробці змішувачів для екструзійного та литтєвого обладнання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 678.027.3: 678.027.7

Моделювання процесів змішування полімерів при розробці змішувачів для екструзійного та литтєвого обладнання

Спеціальність 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Сідоров Дмитро Едуардович

Київ 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі хімічного, полімерного та силікатного машинобудування Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент СІВЕЦЬКИЙ Володимир Іванович, заступник декана з наукової роботи інженерно-хімічного факультету, доцент кафедри хімічного, полімерного і силікатного машинобудування Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ПЄТУХОВ Аркадій Дем'янович, вчений секретар Відкритого акціонерного товариства “Український науково-дослідний і конструкторський інститут по розробці машин і устаткування для переробки пластичних мас, гуми і штучної шкіри” Міністерства промислової політики України, м. Київ

кандидат технічних наук РЯБЦЕВ Геннадій Леонідович, головний консультант Головного контрольного управління Адміністрації Президента України

Провідна установа:

Державне підприємство “Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості “МАСМА” Міністерства палива та енергетики України, м. Київ, лабораторія процесів і апаратів

Захист відбудеться "10" червня 2002 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.05 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №21, ауд. 212.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "07" травня 2002р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к. т. н., проф. В. Я. Круглицька

змішувач полімер екструзійний литтєвий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У цей час більшість термопластичних полімерних матеріалів перероблюється в кінцевий виріб у вигляді композицій. Застосування композиційних матеріалів виправдане, тому що завдяки добавкам, які вводяться в полімерну матрицю, вдається отримати матеріали з необхідним комплексом фізико-механічних і декоративних властивостей. Крім того, заміна частини полімеру у виробі на наповнювач або вторинний полімер дозволяє істотно здешевіти кінцевий виріб.

Підготовка композиції може бути здійснена на окремій стадії змішування-гранулювання або безпосередньо в процесі отримання готового виробу, але за умові забезпечення достатнього рівня змішування й диспергування компонентів суміші в полімерній матриці. З цією метою в екструдерах і литтєвих машинах все більше застосування знаходять компактні змішувальні пристрої статичного й динамічного типів, які дозволяють добиватися необхідного рівня показників якості змішування компонентів термопластичного композиційного матеріалу. У багатьох випадках, наприклад, при двох - і багатокольоровому литті, переробці відходів термопластів, а також при фарбуванні застосування таких пристроїв дозволяє виключити стадію попереднього змішування-гранулювання композиції, як окремої технологічної операції, при досягненні достатньої якості кінцевого виробу і заощадженні енергоресурсів.

Все це обумовлює актуальність питання параметричного розрахунку статичних і динамічних змішувачів, визначення взаємозв'язку між конструктивними особливостями пристроїв, параметрами процесу змішування й показниками якості продукту, що випускається.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напрямку наукових досліджень Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" і виконувалась згідно координаційного плану НДР міністерства освіти України № 43 “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні", затвердженому наказом Міністерства освіти України № 37 від 13.02.97. Робота безпосередньо пов'язана з госбюджетними темами: № 2172 "Розроблення концепції енергозаощаджувальної технології та апаратурного оформлення процесів формування виробів на основі сумішей полімерів", № держ. реєстрації 0197U004978, 1999 р.; № 2222 “ Розробка прогресивних технологій виготовлення деталей та вузлів засобів механізації в машинобудуванні з використанням полімерних композитів", № держ реєстрації 0198U000331, 2001 р. Результати роботи також увійшли у звіт по г/т № 360 01.01.1990 р. "Разработка конструктивного оформления и исследование технологического процесса литья двухцветных изделий на вертикальной литьевой машине" і № 90 01.01.1990/93 р. "Разработка и исследование литьевой машины для интервального литья".

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка математичної моделі процесу змішування термопластів із дисперсними інгредієнтами в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів, які використовуються в екструдерах і литтєвих машинах; створення сучасних методик розрахунку, і, на їх основі, розроблення і впровадження ефективних змішувальних пристроїв для лиття і екструзії, зокрема фарбування полімерів в масі на стадії переробки у вироби при отриманні двобарвних литтєвих виробів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі дослідження:

розроблення математичної моделі неізотермічного процесу змішування композицій на основі полімерів в каналах змішувальних пристроїв статичного і динамічного типів з урахуванням зміни концентрації компонентів суміші;

отримання залежності для оцінки впливу кількості розділень-злиття потоків на загальну змішувальну спроможність змішувачів статичного і динамічного типів в екструзійному та литтєвому обладнанні;

розроблення алгоритмів і програмного забезпечення рішення математичних моделей;

створення експериментальних установок для дослідження процесу змішування в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів при екструзії і литті під тиском;

розроблення методики експериментальних досліджень для вивчення процесу змішування в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів при екструзії і литті під тиском;

проведення експериментальних досліджень процесу змішування при литті і екструзії, зокрема, при отриманні двобарвних литтєвих виробів;

перевірка адекватності математичних моделей шляхом зіставлення результатів чисельних розрахунків з експериментальними результатами;

розроблення змішувальних пристроїв для екструзії і лиття під тиском;

розробка промислового обладнання для реалізації процесу двобарвного лиття.

Об'єктом дослідження є процеси змішування термопластів з дисперсними інгредієнтами.

Предметом дослідження є показники якості змішування в статичних і динамічних змішувачах при екструзії і литті.

Основним методом дослідження є метод чисельного моделювання. Математичні моделі будуються на базі методу кінцевих різниць із застосуванням ітераційного підходу для отримання рішень як лінійних, так і нелінійних задач.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено математичну модель процесу змішування розплавів полімерів з дисперсними добавками в статичних і динамічних змішувальних пристроях при екструзії та литті під тиском. Модель базовано на теорії ламінарного змішування і конвективного переносу для однофазних і середовищ, що мають дисперсну фазу. Модель розв'язано чисельними методами, що дозволило зняти обмеження на складність геометрії робочих органів і використання реологічних залежностей, які враховують локальні значення температур, концентрацій твердої дисперсної фази і швидкостей деформування полімерної композиції. Це дає можливість чисельно визначати поля швидкостей, поля розподілу функції дисипації, поля температур, поля накопичених деформацій зсуву, поля смугастості, поля концентрації компонентів полімерної композиції, а також показники якості змішування розплаву в змішувальних пристроях при переробці полімерних матеріалів методами лиття під тиском і екструзії. Запропоновано залежність для оцінки впливу кількості актів розділень-злиттів потоків на загальну змішувальну ефективність змішувачів статичного та динамічного типів в екструзійному та литтєвому обладнанні.

Практичне значення одержаних результатів. Створено методику розрахунку параметрів процесу змішування розплаву полімеру з дисперсними добавками в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів при екструзії та литті під тиском. Методику реалізовано в алгоритмах і програмних продуктах. Вона дозволяє визначати показники якості розплаву, що готується в змішувальних пристроях, в залежності від геометрії робочих органів і технологічних особливостей процесу.

Розроблено змішувальну головку для отримання багатоколірних литтєвих виробів на базі вертикальної машини ГШП, установка використовується для виробництва промислових партій багатоколірних виробів в АТ "Промтехкомплекс", м. Київ.

Розроблено технічний проект на машину литтєву вертикальну МЛВ-32 для двобарвного лиття загальним об'ємом упорскування до 63 см3. Документація передана на Одеський завод нестандартного обладнання, відповідно до неї випущена серія з десяти литтєвих машин. Обладнання поставлено замовникам.

При проектуванні в УкрНДІПластмаш черв'ячного змішувального агрегату ЧП 250ґ20 для фарбування і гранулювання термопластів використовано конструктивні розробки у відповідності з а. с. №1597272 "Смеситель для полимерных материалов" і а. с. №1537547 "Смеситель для полимерных материалов", відповідно до яких виготовлени черв'яки і три модифікації змішувачів.

Розроблено ескізний проект на змішувальну головку для інтервального лиття на термопластавтоматі Д3127-63. Технічна документація передана на Хмельницьке ПО "Термопластавтомат", де відповідно до неї розроблено робочий проект і виготовлено термопластавтомат для інтервального лиття об'ємом впорскування 63/125 см3; здійснений авторський нагляд за розробкою і виготовленням термопластавтомату; обладнання внедрено в АТ "Промтехкомплекс".

Особистий внесок автора в роботу. Усі основні результати дисертації отримані самим автором. Результати досліджень, виконаних у співавторстві, отримані при безпосередній участі автора на всіх етапах роботи. Особистий внесок автора полягає в постановці мети й задач дослідження, формулюванні математичної моделі, написанні алгоритмів і програм для ЕОМ; створенні лабораторної установки, методики досліджень і проведенні експериментів; упровадженні результатів роботи у виробництво.

Апробація результатів дисертації проводилася на наступних конференціях: 9-й міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв" (Одеса, 1996); науковій конференції “Гидромеханика в инженерной практике” (Київ, 1998); 21-й міжнародній щорічній науково-практичній конференції "Композиционные материалы в промышленности" (Ялта, 2001); 2-й міжнародній науково-технічній конференції "Композиционные материалы" (Київ, 2001).

Публікації. Основний зміст роботи відображено у 34 наукових працях, в тому числі у 3 наукових статтях, 25 авторських свідоцтвах та патентах на винаходи, в 6 тезах доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатків. Обсяг дисертації становить 136 сторінок, включає 3 таблиці, 82 рисунки і бібліографію (136 найменувань). Додатки мають об'єм 35 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета й основні задачі досліджень. Наведені відомості про наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті механізми процесу змішування, які реалізуються в полімер-перероблюючому обладнанні. Проаналізовані способи математичного опису процесу змішування й обґрунтовано застосування методу чисельного моделювання. Розглянуті показники оцінки якості змішування, основні положення теорії ламінарного змішування. Обґрунтовано вибір коефіцієнтів неоднорідності і смугастості як найбільш придатних не тільки для експериментально-статистичної обробки результатів дослідів, а і для теоретичної оцінки якості змішування по величині накопиченої розплавом полімеру деформації зсуву. Розглянуті реологічні залежності і обґрунтовано необхідність використання рівняння, що дозволяє врахувати вплив температури, швидкості зсуву, а також концентрації дисперсної фази на в'язкість композиції, що переробляється. Виконано огляд конструкцій змішувальних пристроїв і аналіз змішувальних ефектів, що реалізуються в них.

Другий розділ присвячений побудові математичної моделі для опису процесу змішування розплаву полімеру з дисперсними інгредієнтами в статичних і динамічних змішувачах. Обґрунтований вибір методу кінцевих різниць для дискретизації диференціальних рівнянь і застосування ітераційних методів рішення. Розглядається:

течія в каналах змішувачів (використовується для розрахунку полів швидкостей і побудови залежності градієнт тиску - витрата);

перенесення тепла з урахуванням дисипативної складової (використовується для визначення полів температур і функції дисипації);

конвективне перенесення компонентів композиції (використовується для визначення зміни полів концентрацій компонентів композиції у будь-який момент часу змішування);

ламінарне змішування при течії в каналах змішувачів і врахування ефекту розділень-злиттів потоків (використовується для визначення полів смугастості, накопиченої деформації зсуву, площі поверхні розділу компонентів суміші, а також інтегральних показників якості змішування).

Функція дисипації і напруження:

.

Для розв'язання математичної моделі використовуються граничні умови:

Деформація зсуву при течії розплаву у вибраному х напрямі від початкового перетину (поперечного відносно вибраного напряму) до перетину, що має поточний номер i визначається як:

.

Поле смугастості після змішування визначається залежністю:

де r0(y,z) - початковий розподіл смугастості, - частка ключового компонента суміші.

Площа поверхні розділу компонентів суміші після змішування:

Інтегральні показники якості змішування визначалися як середні по площі F області D перетину каналу на вихідному кордоні змішувального каналу:

Вхідна величина поверхні розділу компонентів суміші до змішування і середнє значення смугастості до змішування визначалися виразами:

Замість залежності, що застосовувалась раніше для обліку впливу на смугастість кількості розділень-злиттів потоків на змішувальних елементах:



запропонована залежність, що була отримана на основі теорії подрібнення для трьохмірного і двомірного випадку ділення потоків відповідно:

Де - в'язкість компонентів, що змішуються, l - кількість актів розділення (каналів) на одному змішувальному елементі, m - кількість змішувальних елементів, i - загальна кількість актів розділення потоку.

Тут позначено: - кількість ділень потоку при осьовому переміщенні ротора і при його обертанні відповідно; - кількість каналів-поглиблень по довжині ротора і статора відповідно; - кількість каналів-поглиблень по колу ротора і статора відповідно; - швидкість течії розплаву в каналі (визначається по витраті); - об'єм впорскування; - об'ємна пластикаційна продуктивність пластикатора ; - довжина зони змішування; - частота обертання ротора.

Дискретні аналоги залежності (2) отримані із застосуванням методу кінцевих різниць і для отримання рішення методом ітерацій отримані в наступному вигляді.

Для динамічного змішувача:



Для статичного змішувача:

У (18) і (19) - чисельні рішення для компонент .

По полю визначається об'ємна витрата в каналі змішувача:

.

Для отримання залежності застосовується метод послідовних навантажень.

При отриманні чисельного рішення для полів температур і функції дисипації методом кінцевих різниць, з метою забезпечення стійкості і отримання ефективних обчислювальних алгоритмів, використовується метод Кранка-Ніколсона з розщепленням у координатних напрямах. Вузлові значення температур, що отримують в ітераційному процесі, мають вигляд:

Тут

Для розрахунку полів концентрацій залежність (8) представляється у вигляді:

Визначення показників якості ламінарного змішування (10)…(17) виконувалося чисельно, прямим табулюванням при представленні похідних по методу кінцевих різниць.

У третьому розділі приводиться опис методик розрахунку змішувачів статичного і динамічного типів і алгоритмів реалізації на ЕОМ програм, що забезпечують отримання чисельних рішень математичної моделі.

Збіжність рішень математичної моделі перевірялася на трьох етапах. На етапі тестування - шляхом рішення тестових задач для порівняння отриманих рішень з рішеннями, що були отримані іншими авторами. На етапі отримання розрахункових величин - шляхом отримання рішень, які сходяться на сітках, що густішають. На етапі експериментальних досліджень - шляхом зіставлення розрахункових і експериментальних значень.

Для всіх тестових задач спостерігалася якісна збіжність результатів. Кількісна збіжність для лінійної задачі оцінюється похибкою до 1%. Максимальна похибка при визначенні витрати на сітках, що густішають, як комплексного показника збіжності рішень, становила 7,7% від його математичного очікування. Максимальні помилки в зіставленні з експериментальними даними становили: 8% по витраті, 8% по коефіцієнту неоднорідності, 12,8% по значеннях смугастості.

У четвертому розділі описані експериментальні установки для дослідження процесів змішування при екструзії, литті під тиском і отриманні двобарвних литтєвих виробів; методика проведення експериментів і аналіз погрішностей експериментів, однорідності і відтворюваності результатів дослідів; аналіз експериментальних даних і результатів чисельного моделювання. Основні дослідження виконувалися на експериментальній установці (рис. 1), що була розроблена на базі машини для лиття під тиском Д3127 виробництва Хмельницького заводу термопластавтоматів зусиллям змикання напівформ 500 кН, об'ємом упорскування 63 см3, діаметром шнека 36 мм з відношенням довжини шнека до діаметра рівним 17 і можливістю реалізації процесів інжекції, інтрузії та екструзії.

З метою дослідження процесу змішування з використанням статичних і динамічних змішувачів при екструзії та литті під тиском, а також двокольорового лиття, черв'ячний матеріальний циліндр 1, додатково оснащували змішувальним пристроєм 2 та плунжерним матеріальним циліндром 3. Підготовлений в матеріальних циліндрах 1, або 1 і 3 розплав інжектується у формуючу порожнину пресформи через змішувальний пристрій 2, що містить статичні або динамічні змішувальні елементи. Рух робочих органів матеріальних циліндрів 1 і 3 забезпечували, відповідно, базовий гідроциліндр інжекційного механізму 4 і додатковий гідроциліндр 5. Вузли матеріальних циліндрів 1 і 3, гідроциліндрів 4 і 5, механізму змикання напівформ 6 встановлені на станині 7 з можливістю горизонтальних переміщень гідроциліндром 8. Дослідження процесу змішування при двобарвному литті проводилися з використанням змінних комплектів статичних змішувальних елементів пристрою 2 і додаткового плунжерного інжекційного вузла 3, 5, який забезпечував уведення порції розплаву іншого кольору в полімер, що подавався з черв'ячного матеріального циліндра 1 на змішувальний пристрій 2. При дослідженні динамічних змішувальних елементів на корпус черв'ячного пластикатора монтувався змішувальний пристрій 2 із змінною розрізною гільзою, а на шнек - динамічні змішувальні елементи.

На рис. 2 показані залежності витрат від градієнта тиску, отриманих експериментальним і розрахунковим шляхом для статичних і динамічних змішувачів на різних технологічних режимах. Розбіжність між експериментальними і розрахунковими значеннями складає не більше як 8 %, що підтверджує можливість використання розроблених методик в інженерній практиці.

В роботі також наведені результати розрахунків зміни полів температур у каналах динамічних і статичних змішувачів у часі. Установлено, що у сталих режимах роботи в розплаві полімеру по перетину змішувального каналу спостерігається температурна неоднорідність порядку десятків градусів, тоді як по його довжині - декілька градусів. Показано, що за час вистою машини для лиття під тиском при наборі дози або при охолодженні виробу відбувається вирівнювання температурних полів в каналах змішувачів. В роботі також наведені результати розрахунків функції дисипації для змішувачів обох типів і показано, що дисипація енергії в каналі прямокутного перетину не приводить до значного зростання температури в кутових, так званих "застійних" зонах.

Розрахунки зміни концентрації дисперсної фази в полімерної матриці по об'єму змішувальних каналів різних типів показали, що перенесення дисперсної фази в каналі статичного змішувача здійснюється переважно по ядру потоку, тоді як для каналу динамічного змішувача - поблизу пересувної стінки.

Графічні відображення полів накопиченої деформації зсуву і смугастості при течії полімерної суміші в перетинах змішувальних каналів (рис. 3, рис. 4, відповідно) показують якісні і кількісні відмінності механізмів змішування, що реалізуються в змішувальних каналах змішувачів різних типів.

Результати досліджень показують, що при застосуванні в статичних змішувачах неспівосних каналів механізм змішування суттєво змінюється, а середня розрахункова смугастість меншає значно швидше, ніж у співосних каналах. У випадку збільшення інтенсивності зсувного впливу на розплав динамічних змішувачів за рахунок другої рухомої стінки, середня розрахункова смугастість меншає від 0,136 мм до 0,0023 мм, при початковій величині 0,619 мм.

Порівняльний аналіз результатів розрахунків за запропонованою залежністю (16) і залежністю (15), що застосовувалась раніше, з незалежними експериментальними даними, отриманими С. О. Пристайловим при дослідженні розмірів часток дисперсної фази (ПС, СКЕПТ, ПП) в розплаві поліетилену, представлений на мал. 5 б). Похибка залежності (15) швидко збільшується із збільшенням числа змішувальних елементів змішувача. Залежність (16) більш вдало прогнозує зміну якості змішування при зміні числа змішувальних елементів і може бути рекомендована для оцінки змішувальної ефективності по теоретично можливій мінімальній смугастості для конструкцій з не дуже великою кількістю поділів потоку.

На рис. 6 а) відображена залежність середньої накопичуваної деформації зсуву, віднесеної до довжини шляху змішування від витрат в змішувальному каналі. При зростанні продуктивності пластикатора до 2,5 см3/с середня накопичена деформація зменшується, і, як наслідок, гіршає якість розплаву, що готується. Це пов'язано з проявом реологічних особливостей розплаву, коли основний зсув розвивається в пристінних зонах, а в ядрі потоку реалізується течія, близька до стержневої. Ситуація посилюється дисипативними явищами в пристінних зонах, що також знижують локальну в'язкість розплаву. З подальшим зростанням витрат полімеру в змішувальному каналі до 30 см3/с спостерігається деяке поліпшення ефективності змішування за рахунок незначної відносної зміни епюри швидкості вже і в стержневій області потоку. Однак змішувальна ефективність так і не досягає рівня, що досягається при витратах до 1 см3/с.

На рис. 6 б) подані залежності середньої по перетину змішувального каналу деформації зсуву, що накопичується розплавом ПЕВГ на довжині 1 см змішувального каналу, розрахункова і отримана внаслідок вивчення експериментальних зразків смугастість, а також відносна похибка для розрахунків смугастості.

Відносна похибка розрахунків смугастості в порівнянні з експериментальними даними не перевищує 12,8 %. До того ж, для режимів екструзії, коли витрати через змішувальний канал не перевищують 5 см3/с похибка становить 8…9 %. Ці режими характеризуються значно більшою стабільністю (стаціонарністю), особливо в температурному відношенні, ніж режими інжекції. Значно більшим витратам, що реалізуються при інжекції, характерна нестабільність температурних режимів, яка посилюється відносно коротким часом впорскування, що відбивається на точності обчислень. Як видно з рис. 6 б), присутня деяка систематична похибка, що визначається розходженням порядку 8%. Її природа стає зрозуміла на основі аналізу залежностей (16) і (17), які передбачають неоднакове врахування впливу різних конструкцій змішувальних елементів, що мають теоретично однакову змішувальну ефективність.

Нарівні зі смугастістю, як показник якості змішування розглядався також коефіцієнт неоднорідності суміші (рис. 7). Дані для статичного змішувача відносяться до випадку двобарвного лиття, коли на змішувач подається забарвлений (6 % БС-30 і до 0,2 % дисперсного барвника) і незабарвлений розплав з двох роздільних матеріальних циліндрів. Дані для динамічного змішувача відносяться до випадку, коли сухозмішані з дисперсним порошком БС-30 (6 %) і барвником (до 0,2 %) гранули полімеру завантажуються в бункер машини для лиття під тиском. При цьому, компоненти суміші зазнають змішувального впливу в шнековому матеріальному циліндрі машини для лиття під тиском перш ніж попадуть у змішувач.

Використовуючи доведену В. С. Кімом гіпотезу про інваріантність залежності коефіцієнта неоднорідності від накопиченої деформації зсуву, визначали накопичену розплавом у шнековому пластикаторі деформацію зсуву і зіставляли чисельні значення коефіцієнта неоднорідності. Для статичного змішувача розбіжність (прямий розрахунок) становить 6,2 %, для динамічного змішувача (гіпотеза про інваріантність) біля 8 %.

У п'ятому розділі показане практичне застосування результатів роботи. Описані конструкції змішувальних пристроїв, на які отримані авторські свідоцтва і патенти. Наведені фотографії і схеми розроблених пристроїв: змішувальних пристроїв статичного і динамічного типів для екструзії і лиття, вертикальної литтєвої машини для двобарвного лиття, термопластавтомату для отримання двобарвних виробів методом лиття під тиском.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено математичну модель процесу неізотермічного змішування розплавів полімерів із дисперсними добавками в статичних і динамічних змішувальних пристроях при екструзії та литті під тиском. Модель базується на теорії ламінарного змішування і конвективного переносу для однофазних і середовищ, що мають дисперсну фазу. Модель адаптована для отримання рішень чисельними методами, за рахунок чого зняті обмеження на складність геометрії робочих органів і складність реологічної залежності, яка враховує локальні температури, концентрації твердої дисперсної фази і швидкості деформування середовища. Це дає можливість чисельно визначати поля швидкостей, поля розподілу функції дисипації, поля температур, поля накопичених деформацій зсуву, поля смугастості, поля концентрації компонентів полімерної композиції і, як насідок, розраховувати показники якості змішування розплаву полімеру з дисперсними добавками в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів при переробці полімерних матеріалів методами лиття під тиском і екструзії. Застосування кусочно-безперервної залежності для закону в'язкості дозволяє автоматично врахувати велику зміну значень в'язкості розплаву у всьому діапазоні швидкостей зсуву, температур і концентрацій компонентів композицій, що реалізуються при течії розплаву полімеру в змішувальних пристроях.

2. Запропоновано залежність для оцінки впливу кількості актів розділень-злиттів потоку на загальну змішувальну ефективність статичних і динамічних змішувачів для екструзії та лиття під тиском.

3. Створено методику розрахунку параметрів процесу змішування в розплаві полімеру при його фарбуванні або наповненні в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів при екструзії і литті під тиском. Методику реалізовано в алгоритмах і програмних продуктах. Вона дозволяє визначати параметри змішувальних пристроїв і зв'язувати їх із геометрією робочих органів, технологічними особливостями процесу, показниками якості суміші, що готується.

4. Установлено, що перепад температур по перетину змішувального каналу досягає десятків градусів, тоді як по його довжині лише декількох градусів. Таким чином, урахування поля температур у перетині каналу при визначенні полів швидкостей - необхідно, тоді як по довжині каналу - можливе застосування методу ступінчастої апроксимації.

5. Встановлено, що неоднорідність полів накопиченої деформації зсуву в змішувальних каналах досягає величини від сотень до тисяч одиниць, тоді як середні значення складають величини порядку десятків одиниць. Просте збільшення довжини зони змішування не дозволяє знизити неоднорідність полів температур і накопиченої деформації зсуву. Показано, що зменшення неоднорідності полів температур і накопиченої деформації зсуву можливе за рахунок застосування каналів із декількома рухомими стінками, або змішувальних пристроїв статичного і динамічного типів, в яких реалізовані ефекти розділення-злиття і перерозподілу потоків розплаву полімеру.

6. Установлено тенденцію збільшення смугастості при збільшенні витрати матеріалу через змішувальний канал, що пов'язана з реологічними особливостями розплавів полімерів. Ефект отримано експериментально, теоретично обґрунтовано і підтверджено розрахунками.

7. Створено лабораторно-промислову установку для вивчення принципової можливості отримання багатоколірних литтєвих виробів на базі вертикальної литтєвої машини ГШП, установка використовується для виробництва промислових партій багатоколірних виробів.

8. Створено експериментальну установку на базі термопластавтомату Д 3127-63 для вивчення процесу змішування при екструзії і литті під тиском з використанням статичних і динамічних змішувачів, а також методику експериментальних досліджень. Проведено експериментальні і чисельні дослідження процесу змішування.

9. Установлено, що застосування статичних і динамічних змішувальних пристроїв в процесах змішування дає позитивні результати в наступних випадках: в процесах багатоколірного лиття дозволяє реалізовувати задані декоративні ефекти; при екструзії дозволяє виключати ефекти "смугастості"; в одностадійних процесах отримання-переробки полімерних термопластичних композицій дозволяє добитися прийнятного рівня змішування і може бути основою для реалізації енергозаощаджуючих технологій; при отриманні забарвлених виробів в одну стадію; при переробці полімерної сировини з підвищеним змістом вторинного полімеру, або полімерних відходів отримувати якісні вироби і деталі.

10. Використання результатів роботи дозволило розробити нове обладнання для отримання двобарвних виробів, конструкції ефективних статичних і динамічних змішувальних пристроїв. За результатами роботи отримано 25 авторських свідоцтв і патентів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Сідоров Д. Е., Сівецький В. І. Обчислювання параметрів течії та змішування розплаву полімеру в каналах змішувачів // Хімічна промисловість України. - 1999. - № 4, додаток. - С. 98-102.

2. Сідоров Д. Е., Сівецький В. І., Харченко О. М. Числове моделювання процесу течії полімера в каналах змішувача // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2000. - № 1. - С. 61-65.

3. Сідоров Д. Е., Сівецький В. І., Сівецький А. В. Обчислювання показників якості змішування при протіканні розплаву полімера в каналах змішувачів // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 1999. - № 3. - С. 67-70.

4. Статический смеситель для полимерных материалов: А. с. 1606180 СССР, МКИ В 01 J 19/10/ В. И Сивецкий, А. Я. Малкин, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4607972/31-26; Заявлено 24.11.88; Опубл. 15.11.90, Бюл. № 42.

5. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1577980 СССР, МКИ В 29 В 7/30/ А. Я. Малкин, В. И Сивецкий, Е. И. Евдокимов, С. О. Пристайлов, В. А. Злобина, В. И. Кузнецов, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4424615/31-05; Заявлено 12.05.88; Опубл. 15.07.90, Бюл. № 26.

6. Статический смеситель для полимерных материалов: А. с. 1781049 СССР, МКИ В 29 В 7/30/ С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, В. И. Сивецкий, , Д. Д. Рябинин, А. Е. Колосов (СССР). - № 4887886/05; Заявлено 05.12.90; Опубл. 15.12.92, Бюл. № 46.

7. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1577981 СССР, МКИ В 29 В 7/36/ В. И. Пятецкий, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, В. И Сивецкий (СССР). - № 4449536/31-05; Заявлено 27.06.88; Опубл. 15.07.91, Бюл. № 26.

8. Статический смеситель: А. с. 1803327 СССР, МКИ В 29 В 7/32/ Д. Э. Сидоров, С. О. Пристайлов, В. И Сивецкий, Д. Д. Рябинин, В. К. Максимова, Е. А. Жаворонкова (СССР). - № 4906741/05; Заявлено 30.01.91; Опубл. 23.03.93, Бюл. № 11.

9. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1801750 СССР, МКИ В 29 В 7/38/ Д. Д. Рябинин, В. И Сивецкий, А. Я. Малкин, А. С. Сахаров, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, С. В. Сивецкий (СССР). - № 4910177/05; Заявлено 12.02.91; Опубл. 15.03.93, Бюл. № 10.

10. Литьевая машина: А. с. 1599228 СССР, МКИ В 29 С 45/46/ В. И Сивецкий, Д. Д. Рябинин, С. О. Пристайлов, А. Г. Сирота, Д. М. Ханин, Д. Э. Сидоров, (СССР). - № 4307638/31-05; Заявлено 21.09.87; Опубл. 15.10.90, Бюл. № 38.

11. Литьевая машина: А. с. 1479308 СССР, МКИ В 29 С 45/47/ С. О. Пристайлов, В. И Сивецкий, А. Г. Сирота, Д. М. Ханин, Д. Д. Рябинин, Д. Э. Сидоров, В. Л. Личко (СССР). - № 4307639/31-05; Заявлено 21.09.87; Опубл. 15.05.89, Бюл. № 18.

12. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1537547 СССР, МКИ В 29 В 7/40/ С. О. Пристайлов, В. И Сивецкий, А. Я. Малкин, М. Л. Фридман, Д. Д. Рябинин, А. С. Колеров, В. Н. Рябченков, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4372087/31-05; Заявлено 28.01.88; Опубл. 23.10.90, Бюл. № 3.

13. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1537545 СССР, МКИ В 29 С 45/47/ С. О. Пристайлов, В. И Сивецкий, А. С. Колеров, М. Л. Фридман, Д. Д. Рябинин, В. Н. Рябченков, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4359115/31-05; Заявлено 05.01.88; Опубл. 23.01.90, Бюл. № 3.

14. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1597272 СССР, МКИ В 29 В 7/38/ В. И Сивецкий, Д. Э. Сидоров, А. Я. Малкин, С. О. Пристайлов, В. А. Ануфриев, П. П. Демин, В. С. Рахманов (СССР). - № 4447616/31-05; Заявлено 23.06.88; Опубл. 07.10.90, Бюл. № 37.

15. Шнек экструдера для переработки полимерных материалов: А. с. 1595667 СССР, МКИ В 29 С 47/60/ В. С. Рахманов, В. И Сивецкий, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, В. В. Сидорова (СССР). - № 4467332/31-05; Заявлено 29.07.88; Опубл. 30.09.90, Бюл. № 36.

16. Шнек для переработки полимерных материалов: А. с. 1680525 СССР, МКИ В 29 В 7/42/ В. И Сивецкий, С. О. Пристайлов, В. С. Рахманов, Д. Э. Сидоров, В. Л. Личко (СССР). - № 4707280/05; Заявлено 19.06.89; Опубл. 30.09.91, Бюл. № 36.

17. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1650460 СССР, МКИ В 29 С 47/38/ В. И Сивецкий, Д. Д. Рябинин, С. О. Пристайлов, Г. Д. Мясников, Б. С. Полонский, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4311494/05; Заявлено 30.09.88; Опубл. 23.05.91, Бюл. №19.

18. Статический смеситель для полимерных материалов: А. с. 1676815 СССР, МКИ В 29 В 7/32 / С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4604863/05; Заявлено 14.11.88; Опубл. 15.09.91, Бюл. № 34.

19. Статический смеситель для полимерных материалов: А. с. 1781050 СССР, МКИ В 29 В 7/30/ С. О. Пристайлов, Г. А. Насонкин, Д. Э. Сидоров, В. И. Сивецкий, Д. Д. Рябинин, А. Е. Колосов (СССР). - № 4887887/05; Заявлено 05.12.90; Опубл. 15.12.92, Бюл. № 46.

20. Червячный экструдер для переработки полимерных материалов: А. с. 1684974 СССР, МКИ В 29 С 47/10/ С. О. Пристайлов, В. И. Сивецкий, Д. Э. Сидоров, В. Л. Личко (СССР). - № 4707201/05; Заявлено 19.06.89; Опубл. 15.10.91, Бюл. № 38.

21. Шнек для переработки полимерных материалов: А. с. 1781051 СССР, МКИ В 29 В 7/38/ С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, С. А. Рощупкин, В. И. Сивецкий, Д. Д. Рябинин, А. Е. Колосов (СССР). - № 4887887/05; Заявлено 05.12.90; Опубл. 15.12.92, Бюл. № 46.

22. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1801749 СССР, МКИ В 29 В 7/30/ Д. Д. Рябинин, В. И. Сивецкий, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, С. В. Сивецкий (СССР). - № 4910477/05; Заявлено 12.02.91; Опубл. 15.03.93, Бюл. № 10.

23. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1821380 СССР, МКИ В 29 С 45/47/ Д. Д. Рябинин, В. И. Сивецкий, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, С. В. Сивецкий (СССР). - № 4908315/05; Заявлено 06.02.91; Опубл. 15.06.93, Бюл. № 22.

24. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1763206 СССР, МКИ В 29 В 7/38/ Д. Д. Рябинин, В. И. Сивецкий, А. С. Колеров, И. П. Гладченко,С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров, С. В. Сивецкий (СССР). - № 4817730/05; Заявлено 05.03.90; Опубл. 23.09.92, Бюл. № 35.

25. Смеситель для полимерных материалов: А. с. 1500483 СССР, МКИ В 29 В 7/38/ Д. Д. Рябинин, В. К. Крыжановский, В. И Сивецкий, Т. И. Волков, С. О. Пристайлов, Д. Э. Сидоров (СССР). - № 4310395/31-05; Заявлено 29.09.87; Опубл. 15.08.89, Бюл. № 30.

26. Патент 16882 Україна, МКІ В 29 В 7/30. Статичний змішувач для полімерних матеріалів: Пат. 25460 Україна, МКІ В 29 В 7/30 / С. О. Пристайлов, Д. Е Сідоров, В. І. Сівецький, Д. Д. Рябінін, О. Є Колосов (Україна); НТУУ "КПІ". - № 4887886/SU; Заявл. 05.12.90; Опубл. 29.08.97; Бюл. 4.

27. Патент 25457 Украины, МКИ В 29 В 7/38. Змішувач для полімерних матеріалів / В. І. Сівецький, О. Л. Сокольський, Д. Д. Рябінін, Д. Е. Сідоров (Україна). - № 95073309; Заявл. 30.10.98; Опубл. 25.12.98, Бюл. № 6.

28. Патент 16881 Украины, МКИ В 29 В 7/30. Змішувач для полімерних матеріалів / Д. Д. Рябінін, В. І. Сівецький, С. О. Пристайлов, Д. Е. Сідоров (Україна). - №4910477/SU Заявл. 12.02.91; Опубл. 29.08.97, Бюл. № 4.

29. Сидоров Д. Э., Сторожук В. Г., Макиенко А. В., Каток К. В., Васильчук Н. В. Применение статических смесителей в процессе инжекционного литья // Материалы двадцать первой междунар. ежегодной научно-практической конф. "Композиционные материалы в промышленности" (СЛАВПОЛИКОМ). - Ялта. - 2001. - С. 119-120

30. Сидоров Д. Э., Рябинин Д. Д., Сивецкий В. И., Сокольский А. Л. Моделирование течения неньютоновской жидкости в каналах статических смесителей // Тезисы докладов конф. "Гидромеханика в инженерной практике". - К.: НТУУ "КПИ" - 1996. - С. 54.

31. Сідоров Д. Е., Сівецький В. І., Сторожук В. Г. Прогноз якості композиції і експлуатаційних властивостей виробів, що отримуются за одностадійними технологіями // Сборник трудов 2-й междунар. научно-технической конф. "Композиционные материалы". - К.: НТУУ "КПИ". - 2001. - С. 118.

32. Сивецкий В. И., Рябинин Д. Д., Сидоров Д. Э., Сокольский А. Л. Управление потоками полимера в гидродинамических машинах для получения композиций // Тезисы докладов конф. "Гидромеханика в инженерной практике". - К.: НТУУ "КПИ". - 1996. - С. 73.

33. Сивецкий В. И., Сидоров Д. Э., Сокольский А. Л., Колосов А. Е. Энергосберегающая одностадийная технология получения изделий из термопластичных полимерных композиций // Материалы двадцать первой междунар. ежегодной научно-практической конф. "Композиционные материалы в промышленности" (СЛАВПОЛИКОМ). - Ялта. - 2001. - С. 118-119.

34. Сидоров Д. Э., Сивецкий В. И., Рябинин Д. Д., Сокольский А. Л. Моделирование процесса изотермического течения полимера в каналах смесителей // Тези доповідей ІХ міжнародної конференції "Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв". - Частина 5. - Одеса. - 1996. - С. 25.

АНОТАЦІЇ

Сідоров Д. Є. Моделювання процесів змішування полімерів при розробці змішувачів для екструзійного та литтєвого обладнання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології. - Національний технічній університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2002.

Дисертація присвячена моделюванню процесу змішування розплавів полімерів з дисперсними інгредієнтами в змішувальних пристроях статичного і динамічного типів при підготовці композицій і отриманні виробів методом екструзії і лиття під тиском.

Розроблена математична модель, заснована на теорії ламінарного змішування і конвективного перенесення однофазних і середовищах що мають дисперсну фазу. Вона дає можливість визначати поля швидкостей, поля розподілу функції дисипації, поля температур, поля накопичених деформацій зсуву, поля смугастості, поля концентрації компонентів полімерної композиції, а також показники якості змішування розплаву в змішувальних пристроях для переробки полімерних матеріалів методами лиття під тиском і екструзії.

Створена експериментальна установка для вивчення процесу змішування при екструзії і лиття під тиском з використанням статичних і динамічних змішувачів, а також методика експериментальних досліджень. Проведені дослідження процесу змішування.

Установлено, що застосування статичних і динамічних змішувальних пристроїв в процесах змішування дає позитивні результати в наступних випадках: в процесах багатоколірного лиття; при екструзії дозволяє виключати ефекти "смугастості"; в одностадійних процесах отримання-переробки полімерних термопластичних композицій; при переробці полімерної сировини з підвищеним змістом полімерних відходів отримувати якісні вироби і деталі.

Використання результатів роботи дозволило розробити нове обладнання для отримання двобарвних виробів, конструкції ефективних статичних і динамічних змішувальних пристроїв.

Ключові слова: змішування, композиція, екструзія, лиття під тиском, полімер.

Сидоров Д. Є. Моделирование процессов смешения полимеров при разработке смесителей для экструзионного и литьевого оборудования. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессі и оборудование химической технологии. Национальный технической университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2002.

Диссертация посвящена моделированию процесса смешения расплавов полимеров с дисперсными ингредиентами в смесительных устройствах статического и динамического типов при подготовке композиций и получении изделий методом экструзии и литья под давлением.

Применение статических и динамических смесительных устройств в финишных технологических процессах дает положительные результаты в следующих случаях: в процессах многоцветного литья позволяет реализовывать заданные декоративные эффекты; при экструзии позволяет исключать эффекты "полосчатости"; в одностадийных процессах получения - переработки полимерных термопластичных композиций позволяет добиться приемлемого уровня смешения и может быть основой для реализации энергосберегающих технологий; при получении окрашенных изделий в одну стадию; при производстве композиционных материалов с различными наполнителями и степенью наполнения; при переработке полимерного сырья с повышенным содержанием вторичного полимера, либо полимерных отходов получать качественные изделия и детали.

Разработана математическая модель процесса смешения расплавов полимеров с различными добавками, основанная на теории ламинарного смешения и конвективного переноса для однофазных и содержащих дисперсную фазу сред, применительно к статическим и динамическим смесительным устройствам.

Модель решается численными методами, за счет чего сняты ограничения на сложность геометрии рабочих органов и сложность реологических зависимостей, которые учитывают локальные значения температур, концентраций твердой дисперсной фазы и скоростей деформирования среды. Применение кусочно-непрерывных зависимостей для реологического закона вязкости позволяет автоматически учесть характерный для термопластичных композиций большой разброс значений вязкости расплава во всем диапазоне изменения скоростей сдвига, температур и концентраций ингредиентов композиций, реализующихся при течении расплава полимера в смесительных устройствах.

Это дает возможность численно определять поля скоростей, поля распределения функции диссипации, поля температур, поля накопленных деформаций сдвига, поля полосчатости, поля концентрации компонентов полимерной композиции, а также показатели качества смешения расплава в смесительных устройствах при переработке полимерных материалов методами литья под давлением и экструзии.

Предложена новая зависимость для оценки влияния количества актов разделений-слияний потока на общую смесительную эффективность.

Создана методика расчета параметров процесса смешения расплава полимера с дисперсными добавками в смесительных устройствах статического и динамического типов в экструдерах и литьевых машинах. Методика реализована в алгоритмах и программных продуктах. Она позволяет определять параметры смесительных устройств и связывать их с геометрией рабочих органов, технологическими особенностями процесса, показателями качества подготавливаемого расплава.

В диссертации приводятся результаты экспериментальных исследований и расчетов основных параметров процесса смешения для нескольких типов смесительных устройств при экструзии и литье термопластичных полимерных материалов. Приведены графические зависимости для концентрации дисперсного ингредиента, температуры и скоростей течения расплава полимера в смесительных каналах различного типа. Определено влияния производительности смесительного устройства на качество смешения ингредиентов композиции.

Использование результатов работы позволило разработать новое оборудование для получения двухцветных изделий, конструкции эффективных статических и динамических смесительных устройств для экструзии и литья под давлением термопластичных полимерных материалов.

Ключевые слова: смешение, композиция, экструзия, литье под давлением, полимер.

Sidorov D. E. Modelling of polymers mixing processes attached to mixers elaboration for extruders and moulding equipment. - Manuscript.

Thesis for acquring the scientific degree of engineering science candidate on speciality 05.17.08 - Process and equipment of chemical technology. - National technical university of Ukraine "Kyiv's polytechnical institute", Kyiv, 2002.

The thesis is sacred to modeling of melting polymers mixing process with ingredients in mixing devices of static and dynamic types used to compositions preparation and wares by extrusion method and injection mouldin.

The developed mathematical model is founded on theory of laminar mixing of melting polymers. It is possible to determine the speed fields, the dissipation function, the temperature fields, the fields of accumulated displacement deformations, the dimension of stripes, the concentration fields of polymeric composition, and also mixing quality indexes.

The experimental installation and methods of experimental researches are created for study of mixing process with using of static and dynamic mixers. Experimental and numeral researches had been seen out.

Static and dynamic devices in finishing technological processes give the positive results in the following cases: in processes of polychromatic injection moulding allow to set up decorative effects to effects; attached to extrusion method allows to dismiss the stripes effects; in one-stage processes; attached to production of composition materials; attached to the processes of wastes recycling. A new equipment is created for making of two-coloured wares, constructions of effective static and dynamic mixing devices.

Key words: mixing, composition, the extrusion method, injection moulding, polymer.

Размещено на Allbest.ru