CC BY
15УДК 678.7+691
МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА ДЛЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Дядичев В.В.*, Колесников А.В.**, Дядичев А.В.*, Дядичева Е.А.*
«ФГАОУ ВО "КФУ им. В.И. Вернадского»
Адрес: г. Симферополь, ул. Павленко, 3, корпус 2, к. 108
**ГОУ ВПО Луганской Народной Республики «Луганский национальный университет имени Владимира
Даля»
Адрес: г. Луганск, ул. Тухачевского, 11, к. 103
e-mail mr.dyadichev@,mail.ru; e-mail angeykav@,mail.ru; e-mail adyadichev@,mail.ru; e-mail dyadicheva-
e@,mail.ru
Аннотация. По результатам проведенных исследований в статье представлен анализ экологического состояния строительных и полимерных отходов. Обоснована необходимость дальнейших исследований в области совершенствования модели формирования многослойной структуры заданного качества для процесса переработки данных отходов. Разработаны эталонные математические модели смеси из отходов полимеров и строительных материалов разработаны для наиболее часто используемых типов смесей. Для существующей практики подготовки смеси из отходов полимерных и строительных материалов определены объемные расходы компонентов устанавливаются по рецептам.
Ключевые слова: Многослойная структура, модель, качество вторичного изделия, строительные и полимерные отходы, соэкструзия, экструдер, вязкость, напряжение сдвига, наполнитель.
ВВЕДЕНИЕ
Перспективным современным направлением исследований является создание новых многослойных структур.
Многослойная структура - это композиция, состоящая из двух и более слоев разнородных материалов.
В нашей работе мы будем рассматривать формирование многослойной структуры, включающей вторичные строительные и полимерные материалы.
Переработка отходов строительных и полимерных материалов является важной задачей. Использование таких отходов в многослойной структуре позволит создать новое изделие, имеющее высокие качественные показатели за счет использования в качестве внешних слоев качественных первичных материалов.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Основной целью создания многослойной структуры является сочетание в одном изделии
эксплуатационных свойств материалов, обеспечить которые каким-либо одним невозможно.
Авторами предлагается сформировать пятислойную структуру, которая включает внешние слои из первичного полимерного материала, средний слой из смеси отходов строительных и полимерных материалов, наполнителя и первичного полимерного материала, между которыми находятся два адгезивных слоя, обеспечивающих прочное соединение внешних слоем со средним.
Сформировать данную многослойную структуру мы можем технологией соэкструзии. Таким образом, мы получаем новый способ утилизации отходов строительных и полимерных материалов.
Из существующих способов утилизации отходов строительных и полимерных материалов, как с экономической, так и с экологической точки зрения наиболее выгодный способ вторичной переработки отходов из строительных и полимерных материалов. Вторичная переработка позволяет за счет использования строительного и полимерного сырья, бывшего в употреблении, совместно с наполнителями и первичным сырьем
сделать значительную экономию первичного начального полимера, а, следовательно, сбережения средств за счет такого использования.
При этом реализуются части следующих важных современных практических задач: ресурсосбережение, энергосбережения и экологическая задача.
Ресурсосбережение - происходит из-за экономии исходного полимерного сырья, поскольку вместо него частично используются отходы. Энергосбережение обеспечивается как экономией за счет отсутствия стадии синтеза полимерного материала, так и сбережением исходного сырья по производству полимеров - нефти. Экологическая задача решается непосредственно, поскольку утилизируют отходы, не нанося вреда окружающей среде.
Основным этапом для процесса соэкструзии многослойной структуры является экструзия среднего слоя, включающего смесь отходов строительных и полимерных материалов, наполнителя и первичного полимерного материала.
Качество переработки сырья для среднего слоя является определяющим показателем для качества получаемого вторичного изделия. Данное качество складывается из получения качественного полимерного расплава, который имеет однородное температурное поле, отсутствие пульсаций давления и гомогенность. Таким образом, при правильном проектировании процесса экструзии, как завершающего этапа переработки отходов строительных и полимерных материалов возможно сочетание в нем стадий подготовки сырья и окончательной переработки. При этом достигается значительная экономия энергии, поскольку процессы грануляции и агломерации очень энергоемкими.
ЦЕЛЬ
Предложить и обосновать модель формирования многослойной структуры заданного качества для процесса переработки вторичных строительных и полимерных материалов, которая бы позволила в зависимости от предъявляемых требований к прочности изделия определит оптимальное сочетание компонентов смеси
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Известно, что реологические свойства структурированных смесей определяются двумя параметрами: вязкостью п и предельным напряжением сдвига т0.
Вязкость смеси из отходов полимеров является оптимальной, если приготовленная на ее основе смесь из отходов полимеров обладает минимально необходимой подвижностью (пластичностью). Оптимальную пластичность смеси Псм можно установить, как функцию динамической вязкости п и величины касательных напряжений, возникающих при перемещении смеси по каналам экструдера и головки т, т.е. Псм = f (п,т).
Оптимальная пластичность смеси, удовлетворяющая требованиям транспортабельности, находится в пределах от 1 до 6 г/10 мин. Такая пластичность достигается при использовании наполнителевяжущего соотношения от 0,2 до 0,6, т.е. при расходе наполнителя от 200 до 600 м3 на 1000 м3 смеси. При расходе наполнителя более 600 м3 смесь получается излишне вязкой и нетранспортабельной, а при расходе наполнителя менее 200 м3 ухудшаются физико-механические свойства, влияющие на пластичность смеси (таблица 1).
Также на качество получаемой многослойной структуры непосредственное влияние оказывает процентное распределение компонентов для среднего слоя - отходов строительных и полимерных материалов, наполнителя и первичного полимерного материала
Таблица 1. Влияние расхода наполнителя на пластичность смеси
№ Расход наполнителя, м3 на 1000 м3 смеси Показатели пластичности смеси
1. < 200 Ухудшаются физико-механические свойства, влияющие на пластичность смеси
2. 200 - 600 Оптимальная пластичность смеси, удовлетворяющая требованиям транспортабельности
3. > 600 Смесь получается излишне вязкой и нетранспортабельной
Предельное напряжение сдвига т0 - это сила,
которую надо приложить к смеси, чтобы началось ее течение. В дальнейшем, течение происходит по закону вязкой жидкости, как и при отсутствии структуры. Поведение структурированных суспензий в общем виде может определяться уравнением Шведова-Бингама, применительно к вязкопластичным системам:
ёу
Т-Т0 = ПШ '-Г: ат
(1)
- нормативная прочность многослойного изделия, Я;
- установленное предельное напряжение сдвига, т0;
- удельная поверхность материала наполнителей, 5;
т
- наполнителевяжущее отношение, —— для
т
где г],ш - коэффициент пластической
вязкости;
- градиент скорости (скорость сдвига).
ёт
Предельное напряжение сдвига т0 также существенным образом зависит от используемого наполнителевяжушего отношения. Исходя из условий соэкструзии смеси в многослойную структуру, и того, что смесь транспортируется по каналам экструдера и соэкструзионной головки, целесообразно принять, что предельное напряжение сдвига т0 приготовленной смеси должно быть
меньше максимально допустимого т0доп, т.е.
имеется ограничение по части снижения расхода наполнителя, и использовать максимально допустимое напряжение сдвига т0доп и напряжения сдвига смеси т0 в качестве параметра смеси. Выбор
остановлен на данной реологической характеристике смеси, как наиболее важной с точки зрения предотвращения образования пробок и закупорок каналов (на соэкструзионном оборудовании в зависимости от размеров и конструкции экструдера и головки регламентируется значение т0доп), а также в связи с
простотой и удобством измерения этой характеристики в лабораторных условиях
Расход первичного полимера т3пп, нормативная прочность создаваемого изделия Я, предельное напряжение сдвига т0 для смеси, выступая в качестве параметров смеси, зависят от следующих факторов:
- соотношения объемных масс компонентов в 1 м3 смеси (наполненные отходы, тно; вторичное
сырье (полимерные и строительные отходы), тес;
первичный полимер, т ; наполнитель, т );
смесей на основе первичного полимера,
т
т
для
сложного вяжущего;
- гранулометрический состав активного и инертного наполнителей, яно и япп.
Т.е. необходимую объемную массу тпп первичного полимера, прочность изделия Я и предельное напряжение сдвига т0 можно представить как функции нескольких переменных 2:
Я=У1( 21Я >...> 2пя);
т0 = 21т0,...,2пт0 ) ; тпп = /з (21пп ,..., 2ппп ) .
(2)
(3)
(4)
Если использовать в качестве функции цели определение объемной массы первичного полимера
т3пп, необходимой для приготовления смеси из отходов полимерных и строительных материалов с предельным напряжением сдвига т0 и формирования соэкструзионного изделия прочностью Я в зависимости от фактических значений масс остальных компонентов, их гранулометрического состава и удельной поверхности наполнителя, то в качестве ограничений следует использовать условия обеспечения нормативной прочности соэкструзии Я > Ядоп и предельного напряжения сдвига смеси
т0 < т0доп. Следовательно, возможно построение модели смеси вида:
т1 = / (твс, тно , тн , Яеп , Я но , 5, ЯМ ) ;
Я > Я,
т < т
^0 — 0доп •
(5)
(6)
(7)
Исследования параметров смеси с применением методов математического
моделирования целесообразно провести первоначально для части определяющих факторов, ограничившись лишь изучением влияния расходов компонентов на параметры смеси. Это позволит нам, существенно упростив модель, выявить основные закономерности, существующие между факторами и параметрами смеси. Затем, на этапе проверки и практической реализации модели могут быть введены соответствующие поправки в модель, учитывающие влияние остальных факторов. Такой подход оправдан также, в связи со сложностью осуществления оперативного контроля гранулометрического состава компонентов и удельной поверхности наполнителя.
При существующей практике подготовки смеси из отходов полимерных и строительных материалов, объемные расходы компонентов устанавливаются согласно рецептам, рекомендуемым для получения смеси (многослойного изделия) требуемой прочности (15,5 МПа; 21,5 МПа; 33,0 МПа; 55,0 МПа) в соответствии с толщиной слоя и используемых вторичных полимеров и строительных материалов (рис. 1). Поэтому разработку эталонных математических моделей смеси следует осуществить для этих же, фиксированных значений нормативной прочности соэкструзии. Это дает возможность, сузив диапазон изменения факторов, описать существующие зависимости с помощью моделей более низкого порядка. Последнее значительно упрощает организацию эксперимента и обработку результатов, повышает надежность полученных характеристик.
Решение модели (5) - (7) позволит осуществить косвенную оценку каждого показателя ш3пп, Я, т0 и определить влияние каждого фактора (шес, шно, шно) на расход первичного полимера. Это дает возможность корректировать расход первичного полимера при изменении любого фактора, поддерживая однородность смеси.
Эталонные математические модели смеси из отходов полимеров и строительных материалов разработаны для наиболее часто используемых типов смеси: первичный полимер + смесь вторичных отходов полимеров и строительных материалов, отходы строительных и полимерных
материалов с наполнителем + первичный полимер + смесь вторичных отходов полимерных и строительных материалов.
Для определения уравнений модели смеси: отходы полимеров и строительных материалов с наполнителем + первичный полимер + смесь вторичных отходов полимеров и строительных материалов, коэффициенты которых приближенно воспроизводят свойства действительно существующей в объекте зависимости
ш3пп = / (шс, шно, шн, Яы) в окрестности некоторого сочетания аргументов (факторов) швс0, шно0, шн0, называемых базовыми, использован статистический метод планирования эксперимента (метод полного факторного эксперимента).
Тогда общий вид уравнений регрессии для разрабатываемой модели смеси имеет вид:
шппХ= аапп • х + апп • х+ 2пп • 2 +....
+аПЪгп ' п
Я = а0Яа 0 + 1рР 1 + 2Я ' 2 + ....
+ах •
пК п
т0 = ат • а + х0 • а + х0 • 2+....
+аХт0 • п
(8) (9) (10)
где а.. - коэффициенты уравнений
регрессии (г = 0,1,...п ; ¿ж Я, ,т0);
- факторы, оказывающие влияние на функцию отклика;
п - число факторов.
Модель смеси: первичный полимер + смесь вторичных отходов полимеров и строительных материалов отличается от смеси: отходы полимеров и строительных материалов с наполнителем + первичный полимер + смесь вторичных отходов полимеров и строительных материалов значениями коэффициентов уравнений а., и отсутствием
фактора, соответствующего компоненту наполненные отходы полимеров и строительных материалов.
Рис. 1. Многослойные композиции при соэкструзии со вторичными полимерными и строительными материалами: ПЭ полиэтилен, ВС - вторичное сырье, ПА - полиамид, ПВХ - поливилхлорид, ПП - полипропилен, А - адгезив.
ВЫВОДЫ И НАПРАВЛЕНИЕ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Разработаны эталонные математические модели смеси из отходов полимеров и строительных материалов разработаны для наиболее часто используемых типов смеси: первичный полимер + смесь вторичных отходов полимеров и строительных материалов, отходы строительных и полимерных материалов с наполнителем + первичный полимер + смесь вторичных отходов полимерных и строительных материалов.
Для существующей практики подготовки смеси из отходов полимерных и строительных материалов определены объемные расходы компонентов устанавливаются по рецептам, рекомендуемым для получения смеси (многослойного изделия) требуемой прочности (15,5 МПа; 21,5 МПа; 33,0
МПа; 55,0 МПа) в соответствии с толщиной слоя и используемых вторичных полимеров и строительных материалов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках научного проекта 10.1622.2017/4.6
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Леваничев В.В. Моделирование процессов соэкструзии. -Луганск; издат-во ВУГУ, 1998. - 74с.
2. Grooved Feed Single Screw Extmders — Improving Productivity and Reducing Viscous Heating Effects. В. Davis et al., / Polym. Eng. Sci., 1998, vol 38, 7, - p. 1199.
3. Pape J., Potente H., Obermann C. Influence of Model Simplifications on the Accuracy of Simulation Results in Single Screw Extruders / 15th Annual
Meeting of the Polymer Processing Society, Den Bosch, the Netherlands. - 1999.
4. Мак-Келви. Д Переработка полимеров. - М.: Химия, 1965. - 368 с.
5. Ким В.С. Диспергирование и смешение в процессах производства пластмасс. - М.: Химия, 1988. - 293 с.
6. Rauwendaal C. Polymer extrusion. - Munich, Hauser Garduer, 2001. - 777 p.
7. Смирный М.Ф., Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Леваничев В.В. Технология многослойного формования полимерных структур. - Луганск: издат-во ВУГУ, 1998. - 85с.
8. Spalding M.A., Dooley J., Hyun K.S. The Effect of Flight Radii Size on the Performance of Single-Screw Extruders, SPE ANTEC, - 1999. - Р. 190194.
9. Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов. Перевод с англ. Р. В. Торнера, Е. В. Закс и др., Под ред. Г. В. Виноградова. - М.: «Химия», 1965. - 747 с.
REFERENCES
1. Lokotosh B. N., Dyadichev V. V., Ivanichev V. V. Modeling of processes of coextrusion. - Lugansk; published-in VUGU, 1998. - 74c.
2. Grooved Feed Single Screw Extmders-Improving Productivity and Reducing Viscous Heating
Effects. B. Davis et al., / Polym. Eng. Sci., 1998, vol 38, 7, - p. 3. 1199.
3. Pape J., Potente H., Obermann C. Influence of Model Simplifications on the access of Simulation Results in Single Screw Extruders / 15th Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Den Bosch, the Netherlands. - 1999.
4. Mac Kelvie. D recycling of polymers. -Moscow: Chemistry, 1965. - 368 p.
5. Kim V. S. Dispersion and mixing in plastics production processes. - Moscow: Chemistry, 1988. -293 p.
6. Rauwendaal C. Polymer extrusion. - Munich, Hauser Garduer, 2001. - 777 p.
7. Smirny M. F., Lakatos B. N., Dyadichev V. V., Ivanichev V. V. Technology of multilayer molding of polymeric structures. - Lugansk: published in VUGA, 1998. - 85C.
8. M. A. Spalding, J. Dooley, K. S. Hyun, The Effect of Flight Radii Size on the Performance of Single-Screw Extruders, SPE ANTEC, new York, 1999. - P. 190-194.
9. E. Bernhardt, Processing of thermoplastic materials. Translation fromEnglish. R. W. Turner, E. V. Sachs, and others, Under the editorship of G. V. Vinogradov. - Moscow: "Chemistry", 1965. - 747 p.
MODEL FOR FORMING A MULTILAYER STRUCTURE OF THE QUALITY ASSURED FOR THE PROCESS OF PROCESSING SECONDARY BUILDING AND POLYMERIC
MATERIALS
Dyadichev V.V., Kolesnikov A.V., Dyadichev A.V., Dyadicheva E.A
SUMMARY Based on the results of the studies, the article presents an analysis of the ecological state of construction and polymer wastes. The necessity of further research in the field of improving the model of the formation ofa multilayer structure ofa given quality for the process ofprocessing this waste is substantiated. The standard mathematical models of a mixture of waste polymers and building materials have been developed for the most commonly used types of mixtures. For the existing practice of preparing a mixture of waste polymer and building materials, the volumetric costs of components are determined by prescription.
Keywords: Multilayer structure, model, secondary product quality, construction and polymer waste, coextrusion, extruder, viscosity, shear stress, filler.
