CC BY
26
УДК 621.77
С. С. Ившин, И. А. Абдуллин, Ю. И. Федоров, А. А. Динисламова, Э. Ф. Кравченко
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ТВЕРДОФАЗНОГО КОМПРЕССИОННОГО ПРЕССОВАНИЯ
ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ключевые слова: компрессионное прессование, полимерные системы, метод конечных элементов.
Рассмотрен метод конечноэлементного анализа твердофазного компрессионного прессования высоконаполненных полимерных систем на примере системы ПС-Ме (объемное наполнение - 70%).Адекватность метода анализа подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение полученных данных составляет 5,65 %.
Keywords: compression molding, polymer system, finite element analyse.
The method offinite element analysis solid phase compression molding highly filled polymer systems on an example system SS-Me (volume content - 70%). The adequacy of the analysis method is confirmed by experimental studies. The-discrepancybetweenthedataobtainedis 5.65%.
Введение
Компрессионное прессование является одним из широко применяемых методов формования для полимеров и наполненных систем (композиционных материалов). Данный способ позволяет изготавли-ватьэлементы со сложнойгеометрией. В ряде работ [1-3] показано, что элементы, сформованные в твер-дофазномсостоянии, существенно отличаются по физико-механическим и специальным свойствам.
Процессы формования высоконаполненных полимерных систем при температуре ниже температуры плавления на данный момент остаются недостаточно изученными. Основной объем ведущихся работ ориентирован на изучение свойств ненаполненных полимеров в ходе твердофазного формования [3-6].
Закономерности формования высоко -наполненных твердофазных систем рассмотрены в работах Михайлова А.С. [7,8] на примере плунжерной экструзии, где предложено использовать вязкость как ключевой фактор оценки поведения подобных систем.
Анализ кривых формования показывает (рис.1), чтотвердофазноекомпрессионное прессование высоконаполненных полимерных композиций представляет собой сложный процесс комбинации течения и уплотнения наполненного материала.
Рис. 1 - Внешний вид кривых формования: экструзия (сплошная линия), компрессионное прессование (штрих-линия)
Для задания параметров данного процесса, возможно использовать методы и зависимости применимые к плунжерной экструзии высоконаполненных полимерных систем.
Большинство исследованных систем относятся к псевдопластичным, по характеру закона течения их можно отнести к жидкостям, со степенным законом. Для описания поведения подобных систем возможно использование закона Освальда Де Виля
Для описания технологических свойств материала возможно использование зависимости Хершеля-Бакли г} = —77 + jfi (А}')11-1", являющейся расширенным законом Освальда де Виля, учитывающей влияние предела текучести. Предел текучести играет значительную роль на уровень вязкости, его качественное определение существенно влияет на уровень вязкости и характер кривой.
Оборудование и методы исследования
Определение свойств исследуемых систем и анализ технологических параметров формования осуществлялось на базе универсальной испытательной машины Galdabini Quasar 100, оборудованной камерой термостатирования.
Моделирование процесса твердофазного ком-прессинного прессования осуществлялось с использованием программного комплексаANSYSFLUENT [15].
Анализ процесса твердофазного компрессионного прессования осуществлялся с использованием пресс-формы сложной геометрии типа «стакан».
Учитывая высокий уровень напряжений, возникающих в процессе деформирования, в качестве способа измерения вязкости был прият метод двух капилляров. Данный метод позволяет исключить потери давления в процессе сжатия материала, при входе в формующий (измерительный капилляр), возможную турбулентность на начальном участке измерительного капилляра и конечные эффекты [14].
Экспериментальная часть
Выбор правильной стратегии постановки задачи играет решающую роль на этапе моделирования протекающих процессов.
Сделаны следующие допущения:
- движение материала ограничено стенками пресс-инструмента;
- движение материала осуществляется без проскальзывания относительно стенок матрицы;
- объем пресс-инструмента сообщается с окружающей средой через зазор между матрицей и поддоном.
Для описания течения материала использована модель SST (ShearStressTransport). Эта модель является объединением двух моделей к-е и к-ю, работающих в разных областях расчетной зоны. Использование к-ю модели во внутренних частях пограничного слоя позволяет использовать SST модель напрямую.
Стандартная SST модель сохраняет адекватность при больших градиентах давления.
Применение данной модели для решения прикладных задач позволяет оценить распределение давление как внутри материала, так и вдоль стенок пресс-инструмента.
Адекватность модели подтверждена сравнением измеренного давления формования при постоянной скорости нагружения(систем пластифицированный полистирол + металлический наполнитель с удельной поверхностью ~900см2/г и системами на двойных полимерных матрицах с металлическими наполнителями различной природы) с расчетными данными. Данные для системы пластифицированный полистирол + металлический наполнитель (ПС+Ме)приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Проверка адекватности модели
р А заданное? Мпа р А изм? МПа Р А расч? МПа Сходимость, %
100 103,41 104,4 99
130 133,92 134,9 99,3
150 154,28 155,8 99
180 184,95 185,8 99,5
На рис. 2 представлены результаты моделирования для системы ПС+Ме с 0,7об. долям наполнителя. Анализ результатов моделирования показывает, что ключевую роль в выборе режима переработки играет высота изготавливаемого элемента (рис.2).
Данная модель служит для оценки параметров формования в процессе компрессионного прессования. С её помощью можно оценить перепады скорости и давления в зависимости от геометрии изготавливаемого изделия. На рис.3 видно, что практически на всем протяжении пресс-формы уровень давления падает при приближении к поддону, а скорость релаксации - увеличивается, стремясь распределить материал от более уплотненной зоны к менее уплотненной.
^ И« Ш!
а - распределение давления по материалу; б - распределение начальной скорости релаксации (распределения материала по объему)
Рис. 2 - Результаты расчетов для системы с 0,7об. долями наполнителя
Изучениераспределения скорости и давления в объеме матрицы делает эту модель полезной при прогнозировании качества изготавливаемых изделий.
Рис. 3 - Распределение давления и начальной скорости релаксации по высоте формующего устройства
Результаты расчетов показывают, что повышение давления прессования влияет лишь на уровень давления в материале в области непосредственного контакта с пуансоном (рис. 4).
Из представленного графика видно, что в следствие низкого уровня давления материал на дне формующего устройства окажется плохо уплотненым и следовательно необходимо уменьшить высоту прессуемого объема минимум на 1 см.
а
Рис. 4 - Распределение давления по высоте формующего устройства
Анализ результатов расчета показал, что увеличение давления формования приводит к соответствующему росту уровня скорости релаксации. Для системы ПС+Ме с 0,7об долям наполнителя уровень скорости релаксации вырос в 1,24 раза.
В таблице 2 приведены результаты экспериментальных исследований релаксации данной системы для давлений прессования 150 и 180 МПа.
Таблица 2 - Параметры релаксации
Давление, МПа Ср.скорость релаксации, 1/с Степень релаксации через 100 сек, % Отношение скоростей
150 0,47 53,19 1,16
180 0,59 63,71
Проведенные исследования подтверждают тенденции полученные расчетным способом. Расхождение полученных данных составляет 5,65%.
Литература
1. Михайлов А.С. Влияние метода формования на характеристики изделий из композиционных материалов / А.С. Михайлов, Ю.И. Федоров, В.А. Михайлов // Вестник Казанского Технологического университета 2013. Т.16, в.18 С.20-22.
2. Русин Д.Л. Основы комплексного модифицирования полимерных композитов, перерабатываемых проходным прессованием: учеб. пособие /Д. Л. Русин.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. - 220 с.
3. Баронин, Г.С. Переработка полимеров и композитов в твердой фазе: учеб. пособие / Г.С. Баронин, А.М. Сто-лин, М.Л. Кербер, В.М. Дмитриев. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - 140 с..
4. Баронин, Г.С. Физико-химические и технологические основы переработки полимерных материалов в твердой фазе. 1. Пластичность полимеров / Г.С. Баронин // Химическая промышленность. - 2001.-№11 .-с.48-51.
5. Баронин, Г.С. Физико-химические и технологические основы переработки полимерных материалов в твердой фазе. 2. Закономерности формирования структуры, свойств и оптимальных условий переработки полимерных сплавов методами пластического деформирования /Г.С. Баронин, М.Л. Кербер // Химическая промышленность. - 2002.-№1.-с.13-17.
6. Baronin, G.S. Solid-phase technologies of polymer processing for engineering /G.S.Baronin, A.M.Stolin, D.O.Zavrazhin, D.E.Kobzev//Machines, Tecnologies, Materials. International virtual journal. Bulgaria, Varna. Year V. Issue 7/2011. Pp.14-16.
7. Федоров Ю.И. Прогнозирование вязкости гетерогенных композиций / Ю.И. Федоров, А.С. Михайлов, И.А. Абдуллин, Е.С. Большакова // Вестник Казанского Технологического университета 2012. Т.15, в.24 С.31.
8. Михайлов А.С. Влияние соотношения компонентов на вязкость полимерной системы / А.С. Михайлов, Ю.И. Федоров, В.А. Михайлов // Вестник Казанского Технологического университета 2013. Т.16, в.17 С.145-147.
9. Шрамм Г. Основы практической реологии и реомет-рии / Перевод с англ. И.А. Лавыгина; Под ред. В.Г. Ку-личихина - М.: КолосС, 2003. - 312с.
10. ANSYS FLUENT 12.0 User's Guide / ANSYS, Inc., 2009.-2070 с.
© С. С. Ившин - асп. каф. ТИПиКМ КНИТУ, ivss5555@mail.ru, И. А. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. ТИПКМ КНИТУ, ilnur@kstu.ru, Ю. И. Федоров - программист ЦНИТ КНИТУ, snchar@rambler.ru; А. А. Динисламова - а асп. каф. ТИПиКМ КНИТУ; Э.Ф. Кравченко - магистр, асп. каф. ТИПиКМ КНИТУ.
© S.S. Ivshin - post-graduate student of department TPPCM KNRTU, ivss5555@mail.ru, I. A. Abdullin - Dr. Sci. (Tech.), professor, head of the department TPPCM KNRTU, ilnur@kstu.ru, Y. I. Fedorov - programmer KNRTU, snchar@rambler.ru; A. A. Dinislamo-va - postgraduate student of the department TPPCM KNRTU; E. F. Kravchenko - master, post-graduate student of the department TPPCM KNRTU.
