CC BY
10УДК 678.674+678.675
А. В. ДРОГУН, О. В. РОМАНКЕВИЧ
НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ ИЗ РАСПЛАВОВ СМЕСЕЙ ПОЛИМЕРОВ
(ОАО "Химтекстильмаш", г. Чернигов, Киевский национальный университет технологий и дизайна)
Рассмотрены вопросы математического моделирования течения расплавов смесей полимеров в экструдере на примере системы ПА6,6 - ПЭТФ и влияние условий течения на их прядомость. Показано, что для моделирования течения параметры РУС должны определяться непосредственно в технологическом процессе. Предложен метод регулирования дисперсной структуры смеси путем изменения спектров времен пребывания элементов расплава в зоне выдавливания.
Одним из основных методов физической модификации волокон и нитей является их получение из расплавов смесей полимеров. Но применение этой технологии модификации в промышленных масштабах сдерживается тем, что теоретические основы получения волокон из расплавов смесей полимеров, в отличие от получения их из индивидуальных полимеров [1,2], разработаны явно недостаточно. Основной причиной этого являются зависимость дисперсной структуры и свойств расплавов смесей полимеров от предыстории их деформирования, а также их необратимое изменение в процессе течения. Следовательно, необходимым является установление влияния изменения параметров технологического процесса на прядомость.
В аспекте математического моделирования это приводит к необходимости учитывать изменения реологических свойств исследуемых смесей при изменении параметров технологического процесса. Для этого предложено [3,4] моделировать течение расплавов смесей полимеров с использованием параметров реологических уравнений состояния (РУС), которые определяются непосредственно в технологическом процессе. Моделирование течения расплавов смесей полимеров при исследовании получения волокон из них осуществляется в зоне выдавливания экструдера и в зоне волокнообразо-вания.
Описание течения в зоне выдавливания экструдера проведено с использованием модели сложного сдвига с учетом зазоров и обобщенного степенного РУС [4]. Для двумерных неизотермических течений степенное РУС неньютоновской вязкой жидкости [5] имеет вид:
п-1
Б = -
В1
ехр
ЛИ Я • Т
дхх &
&
• Б
где В1 - коэффициенты консистенции в степенном реологическом уравнении, Пасп; п - показатель степени степенного реологического уравнения, используемого для описания течения расплава в экструдере; ЛИ - энергия активации вязкого течения, Дж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - температура, К; ух; уу - проекции скорости вращения червяка на оси х, у, м/с;
- девиатор тензора напряжений сдвига; - тензор скоростей деформации.
Математическая модель течения [5] позволяет, используя итерационную процедуру расчета, определить параметры степенного РУС: В1 и п. Критерием адекватности их определения является совпадение расчетных и экспериментально определенных значений расхода, развиваемого давления и температур в выходном сечении экструдера. Полученные параметры РУС позволяют определить вязкость расплавов смесей ПА6,6 - ПЭТФ в условиях течения в зоне выдавливания экструдера (рис.1 и 2).
О 0,99
¡ц 0,96 -
а;
8 0,93 -
б 0,84
30 50
Частота вращения червяка , об/мин
Рис. 1. Зависимость степенного показателя реологического уравнения состояния от частоты вращения червяка ^=сош1=6г/мин) (модель сложного сдвига с учетом зазоров).
Результаты математического моделирования течения расплавов смесей ПА6,6 - ПЭТФ в зоне выдавливания позволяют сделать вывод об уменьшении степенного параметра РУС и возрастании его зависимости от параметров деформирования при увеличении содержания дисперсной фа-
2
2
2
+
зы. К причинам, вызывающим изменение эффективной вязкости, помимо изменения скоростей и напряжений сдвига можно отнести изменение степени дисперсности смеси [4]. Это подтверждается сопоставлением значений параметров РУС, а, соответственно, и значений эффективных вязкостей (см. рис.1,2) с кривыми распределения частиц ДФ по поперечным размерам [6].
30 50
Частота вращения червяка, об/мин
Рис. 2. Зависимость эффективной вязкости от частоты вращения червяка ^=сош1=6г/мин) (модель сложного сдвига с учетом зазоров).
Моделирование с использованием полученных параметров РУС позволило определить спектры времен пребывания элементов расплава в винтовом канале [6], а сопоставление характера их изменения и изменения кривых распределения частиц дисперсной фазы при изменении технологических параметров [6] показало, что они аналогичны. Таким образом, влияя на спектр времен пребывания через изменение технологических параметров экструзии, можно регулировать распределение частиц дисперсной фазы по поперечным размерам. Учитывая, что прядомость расплавов смесей ПА6,6 - ПЭТФ зависит от параметров дисперсной структуры, предложено в качестве параметров поддерживаемых системой автоматического контроля и управления в заданном диапазоне использовать, помимо температуры расплава на выходе из экструдера, спектр времен пребывания элементов расплава в винтовом канале. Кроме этого представление спектров времен пребывания в безразмерном виде позволяет переносить полученные результаты на другие типоразмеры экс-трудеров.
Экспериментальные результаты исследования прядомости расплавов смесей ПА6,6 -ПЭТФ (рис. 3) подтверждают ее зависимость от технологических параметров экструзии.
Наблюдаемый для расплавов смесей ПА6,6 - ПЭТФ характер изменения прядомости (понижение прядомости при увеличении частоты вращения червяка и постоянном расходе) обусловлен увеличением среднеквадратичного отклонения кривых распределения частиц дисперсной фазы по
поперечным размерам и возможным появлением в смеси частиц дисперсной фазы, недеформируемых в принятых условиях волокнообразования. В то же время понижение прядомости при увеличении расхода и постоянной скорости вращения червяка обусловлено увеличением наиболее вероятного размера частиц дисперсной фазы и среднеквадратичного отклонения кривых распределения частиц дисперсной фазы по поперечным размерам. Полученные результаты позволяют сделать вывод о существовании оптимальной степени смешения, с точки зрения обеспечения максимальной величины прядомости для исследованной смеси.
А 80%ПА6,6(0=3г/мин)
• 70%ПА6,6(0=3г/мин) Д 80%ПА6,6(0=6г/мин) О 70%ПА6,6(0=6г/мин)
♦ 90%ПА6,6(0=11 г/мин) 080%ПА6,6(0=11 г/мин)
Частота вращения червяка экструдера, об/мин
Рис. 3. Зависимость максимально достижимой скорости формования мононитей от параметров экструзии расплавов смесей ПА6,6-ПЭТФ (аф=0,8 мм; Ц Мф=1).
Изменение параметров экструзии для расплавов смесей ПА6,6 - ПЭТФ влияет также и на условия, при которых наблюдается шеечный механизм нарушения прядомости (рис.4)._
н и 35
м/
/м
30
ГС и
н а в ф 3 25
о яс
м р о $ 20
■Ю
т 15
тос р об
ро ко 10
О ро о 5
кот
и
р с 0
080%ПА6,6 А70%ПА6,6
20 30 40 50 60
Частота вращения червяка экструдера,об/мин
Рис. 4. Зависимость минимальной скорости формования, при которой наблюдается шеечный механизм нарушения прядомости, от частоты вращения червяка экструдера ^=6г/мин; dф=0,8мм; ЬфМф=1).
Причиной того, что увеличение частоты вращения червяка приводит к тому, что шеечный механизм нарушения прядомости наблюдается при меньших скоростях формования является увеличение величины среднеквадратичного отклонения размеров частиц дисперсной фазы по поперечным размерам, а, соответственно, различию в их деформируемости. Поэтому при наложении фильерной вытяжки ее критическая величина закономерно уменьшается.
Таким образом, полученные результаты
200
180
160
40
140
30
120
20
10
10
70
исследований позволяют сделать вывод о влиянии условий подготовки расплавов смесей полимеров в экструдере на их прядомость. На примере системы ПА6,6 - ПЭТФ предложен метод, который позволяет количественно оценивать влияние изменения условий экструзии на способность расплавов смесей к волокнообразованию и может применяться для моделирования условий переработки смесей полимеров в машинах формования химических волокон.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зябицкий А. Теоретические основы формования волокон: Пер. с англ. - М.: Химия. 1979. - 504с.
2. Панков С.П. Теоретические основы производства химических волокон. - М.: Химия. 1990.- 272с.
3. Дрогун А.В., Лоза В.М. Исследование течения расплавов смесей полимеров в экструдере // Вюник 1нженерно1 Академи Украши. - 1999. - №2-3. - С. 99-104.
4. Романкевич О.В., Дрогун А.В. Экструзионный метод определения параметров реологических уравнений состояния смесей полимеров // Межвузовский сборник научных трудов. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. - 2001. - С. 47-49.
5. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров.- М.: Химия. 1977. - 440с.
6. Дрогун А.В. // Химические волокна. - 2002.- № 2. С. 32-34.
УДК 678.674.4.01.00173
Л.Б.КАНДЫРИН*, С.Е.КОПЫРИНА*, В.С.КОЖЕВНИКОВ*, А.К.ХОМЯКОВ*, Л.К.ЩЕУЛОВА*, Р. ЧЕРКЕЗОВА**, В.Н.КУЛЕЗНЕВ*
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСЕЙ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СМОЛ С
ЗАДАННОЙ ФАЗОВОЙ СТРУКТУРОЙ
(*Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова,
** Медицинский университет, Варна, Болгария)
Отверждение смесей олигомеров, приводящее на ранних стадиях к росту их молекулярной массы, может изменять их взаимную растворимость, а, следовательно, и фазовую структуру. Описание изменений, происходящих со смесями олигомеров при отверждении, проведенное на базе экспериментального определения и расчета параметров фазово-релаксационных диаграмм Гиллхема, позволяет прогнозировать изменение их фазовой структуры. Для этого указанную диаграмму оказалось необходимым дополнить линией фазового разделения отверждающейся смеси. Соответствующие расчеты и эксперименты, проведенные для смесей на основе эпоксидной смолы ЭД-20, позволили прогнозировать режимы получения однофазных и двухфазных смесей на ее основе. Закономерности изменения свойств отвержденных однофазных и двухфазных смесей различного состава удалось рассчитать, используя формулы закона аддитивности или более сложные модели типа уравнения Такаянаги - Каваи.
В последнее время большой интерес привлекают полимерные композиты на основе жидких термореактивных смол, отверждающихся в процессе получения изделий. Подобные композиты могут содержать большее или меньшее количество наполнителей и применяться в качестве покрытий, заливочных компаундов или высоконаполненных материалов (полимербетонов). Основой таких композитов является полимерная матрица, которая после отверждения в значительной степени определяет свойства получаемого материала. В качестве связующих для таких композитов обычно применяют широко распространенные термореактивные оли-гомеры - эпоксидные смолы, ненасыщенные поли-
эфирные смолы, фурановые мономеры и пр. Однако свойства подобных олигомеров не всегда обеспечивают получение материалов высокого качества. В ряде случаев для получения наполненных и высоконаполненных материалов возникает необходимость в снижении вязкости термореактивного связующего, в придании ему высокой коррозионной стойкости и теплостойкости. В этом случае можно синтезировать новые термореактивные материалы или модифицировать известные смолы. Одним из способов модификации термореактивных смол является применение смесей на их основе. Исследование особенностей получения, структуры и свойств подобных смесевых материалов и являет-
