Соекструзійна обробка вторинних полімерних матеріалів (теорія, технологія, обладнання)

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

впровадити у виробництво результати роботи і визначити їхню економічну ефективність.

Об'єкт дослідження. Соекструзійне обладнання.

Предмет дослідження. Робочі процеси обробки тиском вторинних полімерних матеріалів в екструдері середнього шару і соекструзійної головки, та їх вплив на з'єднання шарів при спільної екструзії.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані з використанням законів термодинаміки, математичної статистики і сучасних аналітичних та чисельних методів вирішення систем диференціальних рівнянь з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження виконані на основі сучасної техніки, постановки експерименту з використанням обладнання, що випускається серійно промисловістю, апаратури і пристроїв, які пройшли державну метрологічну перевірку у встановленому порядку. Кількісну оцінку експериментальних даних виконано методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

· запропоновано нову технологічну схему для переробки під тиском різнорідних вторинних полімерних матеріалів на основі методу соекструзії, що дозволяє забезпечити якісне адгезійне з'єднання суміші полімерів у середньому шарі і всій шаруватій структурі в цілому з виготовленням якісних п'ятишарових виробів різного функціонального призначення;

· уперше для установлення взаємозв'язку технологічних параметрів процесу, реологічної характеристики матеріалу і геометричних розмірів шнека та соекструзійної головки розроблено математичну модель і методи розрахунку створення тиску екструдером середнього шару при соекструзії багатошарової структури на основі рівняння енергетичного балансу з урахуванням продуктивності кожного шару, що дозволяє установити залежність між тиском у ведучому екструдері і продуктивністю всього процесу;

· уперше розроблено метод виміру тиску в соекструзійному обладнанні, що дозволяє забезпечити підтримку точних технологічних параметрів процесу соекструзії на основі використання диференціального датчика тиску або ферозондового перетворювача, які вимірюють тиск за ступенем деформації шийки екструдера;

· уперше розроблено критерії оцінки якості багатошарової структури й еталонна модель суміші, що забезпечують необхідну однорідність суміші шляхом коректування витрат основного в'язкого компонента (первинного полімеру) при зміні витрат інших компонентів;

· уперше встановлено аналітичні залежності між складом і характеристиками суміші для найбільш розповсюджених складів і видів багатошарової структури, що показують зв'язок між масовими витратами компонентів, міцністю і граничною напругою зрушення суміші, розроблено новий метод і отримано аналітичні залежності, які дозволяють здійснювати коректування завдань на витрати компонентів на основі обліку наявності наповнювача у вторинному матеріалі і додаткових порціях;

1. У використанні технології переробки різнорідних вторинних полімерних матеріалів на основі методу соекструзії.

2. У використанні розроблених методу розрахунку і математичної моделі робочого процесу в екструдері середнього шару при соекструзії багатошарової структури й отриманих результатів для створення нових конструкцій і схем технологічного процесу з метою підвищення якості соекструзії вторинних полімерів.

3. У можливості використання розроблених математичних моделей суміші, технологічного процесу її приготування, конструкцій багатосекційних черв'яків екструзійного обладнання для забезпечення його надійної роботи і якісного виготовлення нових виробів.

4. У можливості використання моделі процесу спільної екструзії полімерних матеріалів для розробки раціональних конструкцій обладнання з утилізації полімерних матеріалів.

5. На підставі теоретичних досліджень запропоновано алгоритми функціонування екструзійного обладнання і системи автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші, що забезпечують вирішення завдання виготовлення якісного виробу при рециклінгу полімерів відповідно до поставленого критерію якості.

6. Теоретично й експериментально доведено можливість вирішення завдання керування процесом приготування соекструзійної суміші за допомогою моделі цього процесу, побудованої на базі еталонної моделі.

Результати роботи реалізовані в промисловості у вигляді:

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 3-х монографіях, 2-х брошурах, 14 статтях наукових журналів, 6 статтях у збірниках наукових праць, 19 статтях у збірниках виданих за матеріалами національних і міжнародних конференцій, захищені 1-м патентом України, усього 45 наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, шести розділів, висновків по розділах, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Дисертація містить 361 сторінку машинописного тексту, з них 24 таблиці на 9 сторінках, 82 ілюстрації на 26 сторінках, список використаних літературних джерел з 212 найменувань на 18 сторінках та три додатка на 39 сторінках.

екструзія вторинний полімерний тиск

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі представлено аналітичний огляд використання полімерних матеріалів у світі, розглянуто особливості процесів переробки полімерних відходів, зроблено аналіз існуючих технологічних схем переробки відходів і конструкцій екструзійного обладнання, проведено оцінку технологічного процесу соекструзії для приготування багатокомпонентної структури з відходів полімерів і сучасних методів розрахунку соекструзійного обладнання.

Відходи пластмас, особливо композиційних, перетворилися в серйозне джерело забруднення навколишнього середовища, і більшість країн, у тому числі Україна і країни Західної Європи, різко інтенсифікували роботи зі створення ефективних процесів їх утилізації і знешкодження. В умовах, коли сировинні нафтохімічні проблеми і проблеми енергетики дуже гостро стоять у багатьох країнах світу, певний внесок у рішення цих питань може внести застосування раціональних способів утилізації й обробки пластмасових відходів.

Аналіз технологій для переробки відходів полімерних матеріалів у країнах СНД і за рубежем показує, що в даний час для перетворення відходів полімерів у сировину, придатну для наступної переробки у вироби, здійснюється в два етапи: попередня обробка з агломерацією і грануляцією, і переробка гранул вторинної сировини в готовий вироб. Для переробки відходів термопластів багато закордонних фірм випускають спеціалізоване обладнання.

Застосування соекструзії дозволяє виключити багато технологічних операцій, необхідних для виготовлення виробів з відходів полімерних матеріалів. Це агломерація і грануляція, що вимагають великих витрат енергії і є єдиним способом виготовлення багатошарової полімерної структури, при використанні якого виходить готовий вироб з відходів полімерів без проміжних напівфабрикатів.

Економічним і екологічним аспектам проблеми утилізації полімерних матеріалів приділяли увагу багато вітчизняних і закордонних фахівців, у тому числі В.Е.Ґуль, В.С.Кім, Г.А.Бистров, Є.М.Макушин, Б.П.Штарилян, А.В.Козак, й ін. Однак питанням доцільного вибору способів утилізації полімерних матеріалів присвячено мало робіт.

Питаннями переробки полімерних матеріалів, моделювання і дослідження конструкцій відповідного обладнання займалися Е.Бернхард, П.А.Швецов, Д.Біаро, Д.Ф.Каган, Р.В.Торнер, Є.М.Брежинський, M.A.Spalding, P.Elemans, J.Pape, R.T.Steller, S.J.Rauwendaal, З.Тадмор, В.Г.Барсуков і ін.

Слід зазначити, що в роботах не знайшов відображення такий показник, як залежність тиску формовання окремого шару від продуктивності всього процесу, мінімальний час перебування розплаву в екструдерах і головці, відсутності застійних зон, шляху регулювання рівномірності розподілу шару в головці і швидкості руху матеріалу при виготовленні шаруватих матеріалів.

Аналіз існуючих методик розрахунку екструзійного обладнання показує, що вони не дозволяють досліджувати у комплексі вплив технологічних параметрів усіх екструдерів, що беруть участь у соекструзії, на плин у формуючих каналах соекструзійної голівки і на продуктивність процесу в цілому. Сучасні конструкції шнеків, використовувані в соекструзійному обладнанні, не забезпечують рівномірного змішування різнорідних матеріалів при одночасному створенні необхідного тиску формовання, що максимально забезпечувало б якість шаруватого матеріалу.

Відповідно до побудованого логічного ланцюжка причинно-наслідкових зв'язків технологічних факторів, впливаючих на досягнення головної технологічної мети, встановлено, що якість готового виробу може визначатися трьома факторами: сумісністю полімерів для соекструзії, режимом екструзії, що забезпечує рівномірний розплав суміші і якісне її змішання й адгезію, режимом соекструзії, що забезпечує рівномірність розподілу шару матеріалу в головці й одержання якісного адгезійного з'єднання багатошарової структури.

У свою чергу, однорідність суміші для багатошарової полімерної структури залежить від забезпечення необхідного тиску для змішування полімерного матеріалу у екструдерах і якісного виконання операцій дозування компонентів.

Адгезійна міцність якісного виробу залежить від однорідності суміші з відходів полімерів, а також від складу інертного й активного наповнювачів, режиму течії матеріалів у головці і технологічних параметрах соекструзії.

З аналізу функціональної схеми процесу обробки тиском вторинних полімерних матеріалів видно, що технологічний процес приготування багатошарової полімерної структури впливає на рішення завдань інших комплексів і на результат робіт у цілому. Тобто від того, наскільки повно буде досягнута технологічна мета цим процесом, залежить якість виготовлення готового виробу. Тому для рішення завдань цього комплексу необхідна розробка технічних рішень конструкцій обладнання, що забезпечують їх ефективне функціонування, удосконалення методів і засобів змішання компонентів, розробка науково обґрунтованих принципів і методів автоматизованого керування технологічним процесом готування БПС, враховуючих особливості складу і властивостей компонентів.

Другий розділ присвячено теоретичним основам і методам розрахунку робочого процесу переробки полімерних матеріалів у екструдерах при соекструзії багатошарових структур.

У процесах виробництва і переробки відходів композиційних матеріалів з метою виготовлення нових якісних виробів використовуються різні типи компонентів, що знаходяться в різних фізичних станах. Фізичні стани полімерної структури (тверда фаза, розплав чи розчин) і наповнювача (тверді тіла, рідини чи газ) визначають вибір типу обладнання і тієї ділянки в ньому, де відбувається їхнє сполучення. Практично усі відомі полімери і їхні композиції переробляються методом екструзії. Одержувані вироби дуже різноманітні і включають плівки, аркуші, труби, профільні вироби, оболонки на кабельні вироби і т.д. Для дослідження процесу плавлення і пластикації відходів різнорідних полімерних матеріалів використовувалася суміш з відходів полімерних матеріалів, що складається з вторинних полімерних матеріалів виробничого призначення, первинного полімеру, наповнених побутових відходів і адгезійного наповнювача.

Для переробки вторинних різнорідних полімерів розроблено технологічний процес створення п'ятишарової структури, у середньому шарі якої знаходиться складна суміш, що складається з первинного полімеру, наповнювача, відходів, які вже мають у своєму складі наповнювач і вторинні полімери без нього. Соекструзійним методом створюються вироби різного функціонального призначення з необхідною якістю.

За основу робочого процесу в екструдері середнього шару покладено закон збереження енергії в ньому.

- сумарна теплота плавлення полімерів,

а , … - теплота плавлення кожного полімеру відповідно, що входить до суміші;

Q_cp - витрата полімеру екструдера середнього шару на виході з головки;

с_cp - усереднена щільність полімеру;

C_cp - усереднена теплоємність полімеру в головці.

Продуктивність соекструзійної машини визначається сумою продуктивністей кожного шару.

Фактична продуктивність соекструзійної машини визначається взаємним впливом характеристики черв'яка і головки. Величина витрати через соекструзійну головку для кожного шару описується рівнянням:

З рівняння (4) випливає: характеристику черв'яка середнього шару можна виразити через продуктивність усієї соекструзійної машини, що залежить від характеристик інших екструдерів.

У свою чергу, математичний опис роботи екструдера отримано спільним рішенням рівнянь, що виражають закони збереження маси, енергії і кількості руху при течії полімеру, з рівняннями, описуючими фізичний стан розплаву.

Досліджуючи в такий спосіб екструдер, отримано співвідношення, що показує взаємозв'язок геометричних параметрів шнека, режимів екструзії і реологічних характеристик перероблюваного матеріалу.:

Дане рівняння визначає, який протитиск у головці здатний перебороти екструдер, розвиваючи задану продуктивність Q при даній швидкості обертання шнека і температурі T.

Знаючи залежність глибини каналу h від довжини черв'яка l, застосувавши інтегрування і визначивши для досліджуваного екструдера константи геометрії, одержимо протитиск, подоланий екструдером:

Дане співвідношення дозволяє розрахувати технологічні параметри процесу екструзії кожного з полімерів і разом з аналізом течії полімерів через соекструзійну голівку розробити повну модель досліджуваної установки.

Для виміру тиску в екструзійних установках і підтримки точних технологічних параметрів при екструзії вторинних полімерів розроблено ефективний метод виміру тиску (до 200 МПа) при підвищеній температурі (до 300 град. С). Це є непрямим методом виміру тиску за ступенем деформації конструкційного елемента установки, зокрема, її патрубка, що зв'язана з величиною тиску в екструдері.

Третій розділ присвячений розробці і дослідженню еталонних математичних моделей для оцінки якості суміші середнього шару багатошарової структури з відходів полімерних матеріалів.

При проектуванні конструкцій машин для утилізації відходів полімерних матеріалів з виготовленням багатошарової полімерної структури як основний показник якості створюваного багатошарового виробу використовується адгезійна міцність шаруватого матеріалу і нормативна міцність середнього шару соекструзійного виробу, що формується з відходів полімерних матеріалів і має найбільшу з усіх шарів товщину. Нормативна міцність являє собою величину тимчасового опору при одноосьовому розтяганні зразків суміші середнього шару.

По здатності технології підтримувати параметри реальної багатошарової структури максимально близькими до заданих, установлених на еталонній моделі, можна оцінювати її якість.

Технологія розробки рецепта соекструзійного виробу передбачає одержання необхідних характеристик суміші з відходів полімерів і соекструзійного виробу при мінімальній витраті первинного полімеру. Якщо при розробці еталонних моделей суміші як базові значення компонентів використовувати дані рецепта суміші для багатошарової структури, то отримані регресійні залежності також відповідатимуть мінімальній витраті первинного полімеру.

Таким чином, відповідно до прийнятого критерію основне рівняння еталонної моделі суміші для багатошарової структури повинно відбивати залежність необхідної витрати первинного полімеру m_пп від складу інших компонентів (наповнених відходів m_но, суміші вторинного полімеру m_вп, наповнювача m_н) з метою забезпечення однорідності суміші для встановленої нормативної міцності суміші для соекструзійного виробу R_N:

Як обмеження моделі суміші логічно використовувати мінімально припустиму міцність R_доп суміші для соекструзії й одну з реологічних характеристик суміші - гранична напруга зрушення .

Необхідну об'ємну масу первинного полімеру, міцність виробу R і граничну напругу зрушення можна представити як функції декількох переінних z_i.

Якщо використовувати як функцію мети визначення об'ємної маси первинного полімеру , необхідної для приготування суміші з відходів полімерів із граничною напругою зрушення і формування соекструзійного виробу міцністю R в залежності від фактичних значень мас інших компонентів, гранулометричного складу і питомої поверхні наповнювача, то як обмеження варто використовувати умови забезпечення нормативної міцності соекструзії R>R_доп і граничної напруги зрушення суміші .

При існуючій практиці підготовки суміші з відходів полімерів об'ємні витрати компонентів установлюються відповідно до рецептів, що рекомендуються для одержання суміші (багатошарового виробу) необхідної міцності (15,5 МПа; 21,5 МПа; 33,0 МПа; 55,0 МПа) відповідно до товщини шару і використовуваних вторинних полімерів. Тому розробка еталонних математичних моделей суміші здійснювалася для цих же фіксованих значень нормативної міцності соекструзії. Еталонні математичні моделі суміші з відходів полімерів розроблено для найбільш часто використовуваних типів суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів, відходи з наповнювачем + первинний полімер + суміш вторинних відходів.

Для визначення рівнянь моделі суміші: відходи з наповнювачем + первинний полімер + суміш вторинних відходів, коефіцієнти яких приблизно відтворюють властивості дійсно існуючої в об'єкті залежності

в околі деякого сполучення аргументів (факторів) , , , називаних базовими, використано статистичний метод планування експерименту (метод повного факторного експерименту).

Модель суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів відрізняється від суміші: відходи з наповнювачем + первинний полімер + суміш вторинних відходів значеннями коефіцієнтів рівнянь a_ij і відсутністю фактора, що відповідає компоненту наповнені відходи.

Таким чином, факторний експеримент полягає в тому, що задаються різні значення компонентів суміші і за розробленими методиками визначаються її граничні напруги зрушення ф₀ і міцність R зразків екструзії.

Розроблено метод коректування витрат компонентів суміші з урахуванням вмісту в них наповнювача. Якщо витрати ненаповнених компонентів задані базовими значеннями , , , а наявність наповнювача в компонентах визначено значеннями коефіцієнтів наповненості , , , то для забезпечення необхідної величини витрат ненаповнених компонентів (базову), засоби дозування повинні збільшити настроювання на величину наповнювача, що міститься в реальному матеріалі

Разом з тим, добавка m_ді сипучого компонента, обчислена за вираженням (17), у свою чергу, містить наповнювач, який повинен бути обчислений:

Для оцінки ефективності пропонованого методу корекції витрати компонентів суміші й одержання кількісних оцінок розроблено імітаційну модель для розрахунку на комп'ютері фактичної міцності виробу R_ф і відносного відхилення ДR від нормативної міцності (відповідно до рівнянь моделі суміші), обумовлених змістом наповнювача в компонентах суміші.

Результати моделювання для суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів 55,0 МПа наступні: при відсутності будь-яких дій, що враховують вміст наповнювача компонентів, відхилення міцності багатошарового виробу може досягати 28,5 %. Збільшення витрат вторинних відходів у рецепті на величину частки наповнювача в суміші вторинних відходів з одночасним зниженням витрат наповнювача дозволяє знизити відхилення ДR до 5,6 %. Застосування пропонованого методу корекції витрат компонентів з обліком наповнювача в добавках уже на першому кроці дає зменшення ДR до 1,16 % і ліквідує помилку для реальних значень вмісту наповнювача в матеріалі за 3-4 кроки ітерації.

Четвертий розділ присвячений розробці і дослідженню узагальненої математичної моделі і системи автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші з відходів полімерних матеріалів, що надходить до екструдера середнього шару. Від того, наскільки однорідною вийде суміш у середньому шарі, залежатиме якість готового багатошарового виробу.

Створення математичної моделі процесу виробництва соекструзійної суміші на основі її еталонної моделі дозволяє обмежитися математичним описом тільки засобів дозування і перемішування, представивши інші об'єкти як транспортні ланки з запізнюванням. Якщо до отриманої моделі надалі додати моделі екструзії з транспортуванням і соекструзії, то з'явиться можливість рішення завдання побудови і дослідження моделі процесу одержання багатошарового виробу.

Існуючі технології приготування суміші з відходів полімерів складаються з окремих технологічних ліній підготовки компонентів, що з'єднуються на екструдері. Вагодозуючий засіб для кожної лінії у загальному вигляді, представляється ланкою, утвореною бункером і дозатором, що для сипучих матеріалів характеризується наступними параметрами:

- вагова продуктивність подачі матеріалу в бункер Q₁, кг/год.;

- матеріальний запас бункера М_б, кг;

- витрата матеріалу з бункера Q₂, кг/год.;

- швидкість руху стрічки дозатора (матеріалу), м/с і довжина транспортера , м;

- матеріальний запас на стрічці дозатора M, кг;

- витрата матеріалу на виході дозатора Q₃, кг/год.

Фактична витрата матеріалу на виході кожного дозатора визначається завданням і швидкістю зміни матеріального потоку на вимірювальному конвейєрі дозатора dM/dt. Використовуючи результати математичного опису процесу вагового дозування компонентів, рівняння регресії моделі суміші, одержимо загальний вигляд математичної моделі приготування суміші. Уявивши всі елементи технологічного ланцюжка від дозатора до екструдера як ланки з транспортним запізнюванням і приймаючи за t момент часу на вході екструдера, одержимо рівняння моделі:

У праву частину рівнянь (25) - (27) моделі підставляються реальні значення витрат компонентів суміші, на підставі яких обчислюється завдання на витрати первинного полімеру , що забезпечує при його реалізації необхідні характеристики і якість суміші, розраховуються реальні значення нормативної міцності R і граничної напруги зрушення

Розроблена модель процесу приготування суміші (25) - (27) дозволяє здійснювати оперативний контроль за витратою компонентів суміші, визначати і коректувати витрату найбільш дорогого в'язкого компонента з метою забезпечення необхідної якості суміші.

Для практичної реалізації моделі (25) - (27) необхідні конкретні значення постійних запізнювання . Тому й запропонована методологія визначення значень масиву , що враховує реальні параметри технологічного обладнання соекструзійних комплексів.

Виконані в попередніх розділах дослідження дозволяють розробити схему автоматизованої системи керування процесом приготування соекструзійної суміші, реалізуючої режим керування "робота з моделі". Відмінною рисою даної схеми є облік транспортних запізнювань надходження компонентів до екструдера () і використання в системі програмного блоку обробки і керування БОК. В останньому реалізована математична модель процесу приготування суміші, що дозволяє здійснити дворівневе зв'язане дозування компонентів за принципом основний дозатор (компонент) - "відомий", а інші - "ведучі".

Для оцінки ефективності пропонованого методу автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші розроблено імітаційну модель для суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів і суміші: наповнені відходи + первинний полімер + суміш вторинних відходів міцністю 55,0 МПа при продуктивності комплексу Q_к = 50 кг/год.

Аналізуючи отримані нормальні розподіли можна стверджувати, що використання в АСУ ТП приготування суміші режиму "робота з моделі" дозволяє зменшити середнє квадратичне відхилення міцності R соекструзійного виробу, приблизно у 5 разів для суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів (ПП+ВП - суміші) і в 11,86 рази для суміші: наповнені відходи + первинний полімер + суміш вторинних відходів (НО+ПП+ВП - суміші). При відпрацюванні завдань витрати вторинного полімеру з точністю 10%, наповнювача - 2%, наповнених відходів - 5%, первинного полімеру - 1% відхилення фактичної міцності багатошарового виробу від нормативної при використанні пропонованих моделей не будуть перевищувати 1,34% (для ПП+ВП - суміші 55,0 МПа) і 0,57% (для НО+ПП+ВП - суміші 55,0 МПа), у той час, як відповідні величини при спробі стабілізувати витрати компонентів складуть 6,52% і 6,76%. Ці цифри свідчать про ефективність і доцільність практичної реалізації пропонованого методу керування якістю приготування соекструзійної суміші.

П'ятий розділ присвячений підвищенню адгезійної міцності з'єднання шарів у багатошаровій полімерній соекструзійній структурі.

Плин неньютоновських багатошарових розплавів через головку при соекструзії течії - складне явище, а, тим більше, якщо середній шар складається із суміші відходів полімерних матеріалів. Швидкість зрушення залежить від положення шару в каналі головки. У зв'язку з цим для правильного вибору полімерів для спільної екструзії, завдання параметрів процесу необхідно мати модель течії таких розплавів.

Математичний аналіз течії багатошарових розплавів проведено для вузьких кільцевих каналів розробленої експериментальної соекструзійної установки.

На наведено схему для розрахунку розподілу швидкостей поточної в об'ємному кільцевому каналі полімерної структури, що являє собою набір практично параболічних сегментів, які з'єднуються на міжфазних поверхнях.

Припускаючи, що течія стала і у каналі тече кілька шарів, тоді для i-го шару швидкість течії:

Використовуючи дане співвідношення і задаючись перепадом тиску для кожного шару на одній з ділянок головки і необхідним розподілом шарів у каналі, відповідно до необхідного комплексу властивостей можна розрахувати епюру швидкостей багатошарового потоку, при цьому за умовами незмішування шарів повинні виконуватися наступні співвідношення:

Основним принципом побудови моделі течії багатошарового потоку приймаємо розбивку кожного шару на деяку кількість об'ємних мікросегментів, визначення для кожного мікросегменту характеристик течії, а вже потім аналіз режиму течії всього потоку. Вхідними даними для розрахунку кожного екструдера, за допомогою яких може бути визначена частота обертання шнека, є протитиск профілюючої соекструзійної головки при заданих продуктивності, температурі й однорідності суміші матеріалів у середньому шарі. Тому на визначення саме цих величин спрямовано аналіз плину багатошарового потоку.

Після розгляду геометричних характеристик каналів голівки було виділено три канали спільного плину і по вісім каналів, що підводять, розроблено алгоритм розрахунку голівки спільного плину полімерів. Для кожного шару визначено продуктивність і перепад тиску на ділянці спільного плину при заданій температурі, реологічної характеристиці матеріалу й однорідності суміші середнього шару. Також було розраховано перепад тиску в каналах роздільної течії кожного екструдера і сформовано вхідні дані для моделі середнього екструдера, що дозволяє розрахувати необхідну частоту обертання шнеків усіх екструдерів при заданій загальній продуктивності.

Результати моделювання представляються як епюри швидкостей об'ємного багатошарового потоку. Причому по об'ємної епюрі можна виявити характерні точки в суміші середнього шару, де відбулося неоднорідне змішування матеріалів і дати конкретні рекомендації для усунення цього недоліку.

Дослідження проводилися на двох полімерних сумішах: суміші 1 (первинний полімер + суміш вторинних відходів) і суміші 2 (наповнені відходи + первинний полімер + суміш вторинних відходів), що використовувалися в експериментах по виміру опору розшаруванню. Адекватність моделі оцінювалася по критерію Фишера, відповідно до методики.

Шостий розділ присвячено розробці екструдера середнього шару в соекструзійному обладнанні, системи автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші з відходів полімерів і дослідженню їх роботи в промислових умовах.

Виконані в попередніх розділах дослідження показали, що якість одержуваної соекструзійної суміші з відходів полімерних матеріалів залежить від конструкції екструзійного обладнання і використовуваних методів керування цим обладнанням. Конструкція екструдера, у свою чергу, визначається геометричними характеристиками застосовуваних шнеків і властивостями матеріалів, що переробляються. Розроблено конструкцію шнека екструдера середнього шару, у якому відбувається переробка відходів полімерних матеріалів. Шнек екструдера складається з п'яти секцій, що мають чотири функціональні ступіні:

1. Ступінь дегазації необхідна для видалення залишків повітря з наповнених полімерів, вологи з гігроскопічних полімерів, а також для летких компонентів з полімерів, що мають різні добавки.

2. Бар'єрна ступінь необхідна для якісного і рівномірного плавлення полімерного матеріалу. Істотна перевага бар'єрної ступіні полягає в тому, що відбувається фізичний поділ матеріалу, що розплавляється, і твердої фази. Таким чином, процес плавлення може відбуватися в більш стійкій формі, і необов'язково при більш високому тиску.

3. Перша ступінь змішування призначена для гомогенізації різних за складом і властивостям полімерів. Вона має подовжні пази, тобто кут спіралі бар'єрного витка 90 градусів. Весь матеріал переливається через бар'єрний виток, тому що впускний канал наприкінці ступіні змішування закритий. Таким чином, весь матеріал змушений переміщатися по бар'єрному витку, виконуючи однорідну диспергируючу змішувальну дію.

4. Друга ступінь призначена для рівномірного змішування наповнених відходів з іншими полімерами. Використовуючи багатозаходну геометрію гвинта одночасно з великим зазором витка, виходять багаторазові перетікання полімеру через гвинтову лінію.

Експерименти з розробленим чотириступеневим шнеком показали значне підвищення якості екструдата із суміші полімерів при підвищенні продуктивності. При засипанні барвників, було отримано різні зразки екструдата з високою якістю й однорідністю суміші з відходів полімерних матеріалів для виробів різної товщини, що підтвердило можливість використання даних шнеків не тільки в екструзійному, але і литтьевому обладнанні.

З метою визначення реальних характеристик якості змішування вторинних полімерних матеріалів у розробленому екструдері середнього шару і встановлення його зв'язку з характеристиками екструдера і формуючого інструмента проведено випробовування на модельній установці з прозорим циліндром у НВО “Інфотрон”. Дослідження проводилися на установці, обладнаній комплектом п'ятисекційних черв'яків, що відрізняються геометричними параметрами.

Слід зазначити, що зміну коефіцієнта неоднорідності від величини тиску у формуючому інструменті було підтверджено як на модельних установках, так і в експериментах на багатосекційному шнеці екструдера при переробці ПВХ у широкому інтервалі зміни технологічних параметрів.

Розроблено систему автоматизованого керування процесом приготування багатокомпонентної соекструзійної суміші, що апаратно реалізована на базі універсальної ПЕОМ і спеціального набору пристроїв зв'язку з об'єктом (ПЗО). Система керування з убудованим сучасним мікроконтролером, як по складності технічної реалізації, так і з економічної точки зору ефективна для рішення завданнь безпосереднього керування технологічним процесом. Інтегровані в мікроконтролер периферійні пристрої дозволяють реалізувати всі необхідні функції керування і зв'язку з об'єктами з використанням мінімальної кількості додаткових апаратних модулів, одержати відносно просту технологічну у виробництві конструкцію з низьким енергоспоживанням і всіма необхідними можливостями. А для моделювання, налагодження і розрахунків оптимальних режимів роботи, вимагаючих великих обчислювальних потужностей, використовується персональний комп'ютер, що підключається до системи керування на час переналагодження. У такий спосіб розроблений пристрій може працювати як автономно, так і під керуванням зовнішньої персональний ПЕОМ, що значно розширює можливості його застосування. Математичне програмне забезпечення системи здійснює керування великою кількістю процесів у реальному масштабі часу; діагностику працездатності комплексу; можливість відновлення після збою; можливість автономного налагодження і супроводу комплексу; можливість модифікації програмного забезпечення.

Розглянута система автоматизованого керування технологічним процесом приготування соекструзійної суміші пройшла випробування і впроваджена у виробничому комплексі ПП “Універсал”. Розроблено конструкторську документацію на дослідні зразки системи, що рекомендована до впровадження на комплексах підприємств по переробці відходів полімерних матеріалів.

Промислові випробування експериментального зразка мікропроцесорної системи керування технологічним процесом приготування соекструзійної суміші "САУ СК" проводилися на діючому технологічному обладнанні за розробленою методикою.

Отримані після статистичної обробки результати свідчать, що експериментальні дані роботи системи добре узгоджуються з теоретичними результатами. Відносне відхилення міцності формованого соекструзійного виробу відповідно до результатів іспитів з довірчою імовірністю Р = 0,95 не перевищує 1,24% у режимі "робота по моделі" і 5,9 % у режимі "стабілізація компонентів". Деяке збільшення фактичного розкиду міцності R соекструзійного виробу в режимі "робота по моделі" у порівнянні з прогнозованою на імітаційній моделі пояснюється більш низькою реальною точністю дозування первинного полімеру (1,8%). Під час проведення експерименту відносне відхилення значень граничної напруги зрушення за результатами іспитів склало 1,5% у режимі "стабілізація компонентів" і 2,3% у режимі "робота по моделі", а відповідні цифри при імітаційному моделюванні процесу дорівнюють 2,0% і 2,5%.