Научная статья на тему 'Исследование слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в формующих каналах'

Исследование слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в формующих каналах Текст научной статьи по специальности «Физика»

26
57
Поделиться
Ключевые слова
ПОЛИМЕР / РАСПЛАВ / СОЭКСТРУЗИЯ / СТЕРЖЕНЬ / ФОРМУЮЩИЙ КАНАЛ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Анасова Т. А., Панов А. А., Дебердеев Р. Я., Заиков Г. Е., Панов А. К.

Предложена технология получения полимерных комбинированных изделий при слойно-секторной соэкструзии в разных формующих каналах.Рассмотрены закономерности процессов соэкструзии комбинированных полимеров в формующих каналах при слойно-секторном совмещении. Предложены зависимости, позволяющие определить гидродинамические характеристики потоков расплавов полимеров при слойно-секторной соэкструзии в формующих каналах. Проведено сравнение рассчитанных расходных характеристик по предложенным зависимостям с экспериментальными данными при истечении слойно-секторных комбинированных полимеров в формующих каналах.A technology of obtaining combined polymeric products at layer-sector coextrusion in various molding channels was suggested.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Анасова Т. А., Панов А. А., Дебердеев Р. Я., Заиков Г. Е., Панов А. К.,

Patterns of combined polymer co-extrusion processes in molding channels at layer-sector combination were examined. Dependences to allow definition of polymer melts flows hydrodynamic characteristics at layer-sector co-extrusion in molding channels were suggested. Calculated flow rate characteristics according to the suggested dependences and the experimental data during layer-sector polymers flow in molding channels were compared.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Исследование слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в формующих каналах»

Т. А. Анасова, А. А. Панов, Р. Я. Дебердеев,

Г. Е. Заиков, А. К. Панов

ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЙНО-СЕКТОРНОЙ СОЭКСТРУЗИИ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ

В ФОРМУЮЩИХ КАНАЛАХ

Ключевые слова: полимер; расплав; соэкструзия; стержень; формующий канал.

Предложена технология получения полимерных комбинированных изделий при слойно-секторной соэкструзии в разных формующих каналах.Рассмотрены закономерности процессов соэкструзии комбинированных полимеров в формующих каналах при слойно-секторном совмещении. Предложены зависимости, позволяющие определить гидродинамические характеристики потоков расплавов полимеров при слойно-секторной соэкструзии в формующих каналах. Проведено сравнение рассчитанных расходных характеристик по предложенным зависимостям с экспериментальными данными при истечении слойно-секторных комбинированных полимеров в формующих каналах.

Keywords: polymer; melt; co-extrusion; stem; molding channel.

A technology of obtaining combined polymeric products at layer-sector co-extrusion in various molding channels was suggested. Patterns of combined polymer co-extrusion processes in molding channels at layer-sector combination were examined. Dependences to allow definition of polymer melts flows hydrodynamic characteristics at layer-sector co-extrusion in molding channels were suggested. Calculated flow rate characteristics according to the suggested dependences and the experimental data during layer-sector polymers flow in molding channels were compared.

Методика расчета расходных характеристик при слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в формующих каналах

Наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получили комбинированные изделия, компонентами которых являются полиолефины. Так,комбинированные изделия на основе полиэтилена в сочетании с лавсаном и материалами типа целлофана широко используются промышленностью.

Преимущество такого процесса соэкструзии нескольких компонентов с различными физикомеханическими свойствами, поперечные сечения которых имеют форму соединенных секторов, состоит в том, что такая технология позволяет получать нити и волокна, свойства которых аналогичны свойствам натуральной шерсти.

Рассмотрим слойно-секторную соэкструзию расплавов полимеров в канале круглого сечения (рис.1), в компонентах напряжении в цилиндрической системе координат, при этом считаем, что вторичные потоки невелики по сравнению с основным продольным сечением [1], продольные скорости всех компонентов на выходе канала одинаковы.

Уравнение движения в этом случае имеет вид

[1]:

і q і q лп

------rTzr +-^Tze=~AP

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

r qr r qU

(1)

где Т г , Тгв - компоненты напряжений сдвига; АP -перепад давления на единицу длины канала; г,0,1 -цилиндрические координаты.

Запишем соотношение для общего расхода жидкостей в цилиндрическом канале

Q = | VzdS = I VzrdrdU,

s s

где Q- объемный расход жидкостей.

(2)

Рис. 1 - Схема слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в цилиндрическом канале

С учетом выражения (2) уравнение (1) можно представить в следующем виде

APQ = I VzdS

1 q 1 q

------r*zr +-'-^Тгв

r в

(3)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

r qr

Интегрируя уравнение (3) по частям, получим

Q = -tpі ide VzrT?r hi rdrTr — ^ I 0 'і qr

i dr

qVz

(4)

Учитывая,

что

Vzr==R = 0

VzTzeL=o = V2TzJe= 2П тогда уравнение(4) будет

иметь вид

V + r 1qV

qr z<e r qU

Принимая во внимание, что

1 21 R

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Q = — j dej rdr

AP n n

VZTZU

и

дг

г дв

(6)

где ф- текучесть жидкости.

С учетом соотношения (6) уравнение (5) будет иметь вид

АР

2 2 . 2 ГДе Т = Т2Г + Т2в

1 2Ї

б = АР 1 Св1 гСгрт)т

(7)

полное напряжение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

сдвига.

Если по каналу текут разные жидкости, каждая из которых занимает свой сектор, то формулу (7) можно представить в следующем виде (8):

п , 0 Я , 0 Я , 2П Я

2=12=-ар\св\ гСЩ(Тт +ар 1+-+АР1 0 ГсЩ (г)г2

<=1 о ^ 0 о АР0_1 о (8)

Принимая во внимание, что на выходе из канала продольная скорость истечения V слабо зависит от угла & [2] так, что выполняется неравенство

(9)

(10)

(11)

qг г дв тогда из соотношений (6) следует

Т2в((Т2Г ~Т

Из уравнения (1) в этом приближении получим

Г СГ

т = -АР- или с1г = - АР —

2 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Переходя в уравнении (8) от переменной гк

переменной т и учитывая в пределах каждого

сектора слабую зависимость от угла 2, получим

п 1 Ттп

2 = 1в • 4Арз ¡Щ(г)т Ст (12)

Где 21- угловой размер сектора в радианах, в пределах которого течет одна из исследуемых жидкостей многокомпонентной системы 2 = 2П . В

п

частном случае для п=3 из формулы (12) следует

(13):

I

б =

6АР3

1 р1 (г)т3Ст + 1 р2 (г)т3Ст + 1^3 (т)т3Ст

(13)

При условии, когда текучести исследуемых жидкостей близки друг другу, то формула (12) переходит в ранее полученное соотношение (9).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Полученная формула (12) позволяет

определить расход аномально-вязких жидкостей при напорном слойно-секторном течении в

цилиндрическом канале в зависимости от

реологических свойств и размеров канала.

Для расчета пропускной способности призматического канала произвольной формы сечения при многослойном или слойно-секторном

течении аномально-вязких жидкостей для

многокомпонентной системы можно предложить следующую обобщенную зависимость I gSiRnyid '

о=Е;

| Р {т)тьСт

(14)

где Б! - площадь сектора, занимаемая ьтым компонентом; 1 S■ = S ^п- гидравлический радиус 1?

го компонента; у1- удельная масса 1-го компонента; ф1-текучесть 1-го компонента; а и Ь - коэффициент формы ьго сектора (определялись по методу мембранной аналогии).

Для случая, когда вязкости исследуемых жидкостей многокомпонентной системы близки друг другу, то формула (14) переходит в ранее полученную зависимость (9).

Предложенная обобщенная зависимость (14) позволяет рассчитать расход аномально-вязких жидкостей принапорном пленочно-слойном или слойно-секторном течении в канале

произвольного сечения в зависимости от реологических свойств и размеров канала.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Экспериментальные данные слойно-секторного течения комбинированных расплавов полимеров в формующих каналах

Экспериментальное исследование процесса слойно-секторного течения трех сочлененных расплавов полимеров в цилиндрических и призматических каналах проводилось на установке (см. рис.2). Установка состояла из формующей головки, конструкция которой показана на рис.3, трех цилиндров высокого давления, которые устанавливались в гнезде головки. Гнезда для присоединения цилиндров высокого давления были выполнены с резьбой и расположены на верхнем торце формующей головки через 1200 по периметру окружности.

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки для изучения соэкструзии комбинированных расплавов полимеров: 1 - цилиндр высокого давления; 2 - соединительный блок;3 -

нагревательные элементы; 4 - термопара; 5,6 — блок питания; 7 - канал; 8 - прижимная гайка; 9 - поршень;10 - патрубок; 11 - крышка цилиндра

Исследуемый канал 5 с помощью прижимной гайки 7 закреплялся в формующей головке. Нагрев и регулирование температуры бомб

2

ь

т

г=1

0

высокого давления формующей головки осуществлялся с помощью нагревательных элементов 3.

Рис. 4 - Схемы слойно-секторного течения расплавов полимеров при соэкструзии: А,В,С -условное обозначение различных полимеров при соэкструзии: 1-4- вид сечения канала и

различные сочетанияполимеров при соэкструзии.

изготовления слойно-секторных полимерных изделий: 1 - корпус формующей головки; 2 -соединительный канал;3 - подводящий канал; 4 -гнезда дляподсоединения цилиндра высокого давления; 5 - уплотнительное кольцо; 6 -

формующий канал; 7 - прижимная гайка

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При исследовании процесса слойно-секторного течения расплавов полимеров в

цилиндрических каналах расход каждого секторарегулировался соответствующим давлением в каждый цилиндр и температурой.В призматических каналах дополнительно в соединительный канал 2 формующей головки устанавливалась распределительная втулка с

продольными перегородками, заканчиваясь наконечником. Профили сечения наконечника и секторов соответствовали конкретному

исследуемому каналу.

Методика проведения опытов и обработки экспериментальных данных аналогична методике, описанной в работах [3^7]. Объектами исследования служили расплавы полиэтилена высокого давления марок П2020Т, П2035Т и 15802-020 при температуре 423 и 443 К.

На рис.4 приведены схемы различных сочетаний полимеров при слойно-секторной соэкструзии расплавов в различных каналах. Опыты по слойно-секторному течению расплавов полимеров проводились на пяти длинах каналов 60, 90, 120, 150, 180 мм. Входовые потери давления исключались по методу В.Е.Бэгли [2]. Опыты сводились к изменению давления в бомбе и расхода комбинированных сочленных каркасированных экструдатов через каналы.

На рис. 5 и рис. 6 представлены зависимости массового расхода от перепада давления на единицу длины исследуемых каналов: точками показаны экспериментальные величины расходов, а сплошными линиями - теоретическая зависимость.

О 2.0 4,0 6.0 8.0 10,0

Градиент давления, А Р-10-7. Па/м

0 2Л 40)

Градиент давления, А Р-10-7. Па/м

Рис. 5 - Зависимости расхода расплавов

полиэтилена при слойно-секторной соэкструзии от перепада давления на единицу длины каналов при Т = 443К (1)и Т = 423К (2): а- соэкструзия в канале 1; б -соэкструзия вканале 2

Сравнение величин рт и рэ, представленное на рисунке 5 и 6, указывает на хорошую корреляцию между величинами рт и рэ; расхождение расходных показателей в среднем составляет ±10% и не превышает ±15%. Вычисление интеграла в уравнениях (12) и (14) производилось по методике, описанной в работе [4].

Градиент давления, А Р-10"7. Па/м

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таким образом, разработанные нами зависимости (12) и (14) можно рекомендовать для определения пропускной способности

комбинированных расплавов полимеров при многослойном и слойно-секторном течении в призматических каналах.

Выводы

1. Разработана обобщенная математическая модель, которая позволяет рассчитывать расходные характеристики при слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в профильных формующих каналах.

2. Проведена экспериментальная проверка предложенной математической зависимости по расчету гидродинамических характеристик комбинированных расплавов полимеров при слойно-секторном течении в цилиндрических и призматических каналах.

Литература

1. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. - М.; Л.: ГИТТЛ. 1951. -420 с.

2. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. - М.: Химия, 1979.- 366 с.

3. Анасова Т.А. Соэкструзия расплавов полимеров. -Уфа: Гилем, 2010. - 107 с.

4. Панов А.К., Анасов А.Р. Гидродинамика потокованомально-вязких полимерных систем в формующих каналах. - Уфа: УГНТУ, 1994.- 260 с.

5. Панов А.К. Основы расчета гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред при течении в каналах машини аппаратовхимической технологии. - Уфа: УНИ, 1984.-95 с.

6. Панов А.К., Дорохов И.Н. Слойно-секторное течение аномально-вязких жидкостей в формующих каналах.//Изв. вузов Химия и химическая технология. -1988. - №11С.115-118.

7. Анасова Т.А., Панов А.К. Технология процесса соэкструзии комбинированных расплавов полимеров в условиях воздействия силовых полей // Башкирский химический журнал. - 2010. Том 17 №5. С .112-115.

Градиент давления, А Р-10-7. Па/м 8. White Ja.L.,Ufford R.G Dharod К.^ Price R.D.

Experimental and Theoretical Study oi the Extrusion of Two - Phase Molten Polymer Systems. - Journal of Applied Рте. 6 - Зависимости расхода расплавов polymer Science, 1972, Vol.16, №6, P.1313-1329.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

полиэтилена при слойно-секторной соэкструзии от перепада давления на единицу длины каналов при Т = 443К (І)и Т = 423К (2): а - соэкструзия в канале 3; б - соэкструзия в канале 4

© Т. А. Анасова - канд. техн. наук, доц. каф. математики БГАУ; А. А. Панов - канд. техн. наук, вед. науч. сотр.

Стерлитамакского филиала АН РБ; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и

композиционных материалов КНИТУ, deberdeev@kstu.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; А. К. Панов - д-р техн. наук, проф., член-корр. АН РБ, зав. отделом ГАНУ ИПИ.