CC BY
47
УДК 539.219.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ СУШКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
11 9
Н.Г. Филиппенко1, А.В. Лившиц1, А.Я. Машович2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского,15, ifpi@mail.ru, livnet@list.ru Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, andr.mashovich@yandex.ru
В статье рассматривается методика определения эффективных режимов высокочастотной сушки полимерных материалов и деталей из них с целью восстановления их конструкционных свойств, основанной на контроле фазового состояния полимерных материалов по их электрофизическим показателям. Получены зависимости температуры от фазовых состояний полимеров. Создана экспериментальная установка высокочастотного нагрева, организована автоматическая система ее управления. Проведены автоматизированные экспериментальные исследования сушки образцов стеклонаполненного полиамидного материала. На примере полиамида были получены подтверждающие результаты качества и эффективности сушки при определенных авторами показателях. Ил. 3. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: полимерные материалы; электротермическая сушка; оптимальные режимы сушки.
DETERMINATION OF THE EFFECTIVE MODES OF ELECTROTHERMAL DRYING POLYMERIC MATERIALS
N.G. Filippenko, A.V. Livshitc, A.J. Mashovich
Irkutsk State University of Railway Engineering,
15, Chernyshevskogo St., Irkutsk, 664074, Russia, ifpi@mail.ru, livnet@list.ru Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, andr.mashovich@yandex.ru
The technique of determining the effective modes of high-frequency drying of polymers and parts of them in order to restore their structural properties, based on the control of the polymeric materials phase state in their electro physical parameters. Obtained from the Temperature dependence on the polymers phase states is obtained. An experimental RF heating setup, organized by the automatic control system is constructed. Experimental studies conducted automated glass-drying polyamide material. On the example of polyamide results were obtained confirming the quality and efficiency of drying under certain authors indicators. 3 figures. 12 sources.
Key words: polymeric materials; electrochemical drying; optimal modes for drying.
ВВЕДЕНИЕ
Преимущества деталей машин, выполненных из полимерных материалов по сравнению с традиционными конструкционными материалами: уменьшение веса изделий, повышенная стойкость к воздействию агрессивных сред и воды, технологичность при незначительной стоимости. Однако к деталям, изготовленным из полимерных материалов и работающим в таких условиях, предъявляются высокие требования по механическим свойствам, например, ударной вязкости, твердости. На изделиях не допускаются трещины, вмятины, царапины, механические повреждения, а поверхность должна быть ровной, гладкой, без вздутий, пустот, раковин, холодных спаев, недоливов.
Все это обеспечивается выдерживанием технологических параметров процесса изготовления (литье, резание и т.д.), но и не менее важна технология подготовки материала к технологическому процессу формообразования, эксплуатации и ремонта.
По данным нормативных документов [1] старение полимеров с потерей 50% прочностных показателей происходит уже после одного года, даже при их хранении в нормальных условиях.
В связи с этим актуальным становится вопрос организации эффективного процесса подготовки полимерных материалов к процессу обработки, ремонта и эксплуатации. Одним из основных технологических процессов является процесс сушки, предшествующей всем технологическим операциям изготовления, ремонта и эксплуатации с целью акклиматизации и снятие «эффекта памяти» и «предыстории создания полимера» [2].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Одним из наиболее прогрессивных способов термической обработки полимерных материалов является способ высокочастотного (ВЧ) нагрева.
Нагрев внутренними источниками тепла -высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) диэлектрический нагрев - в настоящее время относят к энергосберегающим видам энергетики. Это обусловлено сравнительно меньшими, чем при использовании традиционных энергоносителей, тепловыми потерями в окружающую среду - теплота выделяется непосредственно в обрабатываемом материале. Другое важное преимущество ВЧ- и СВЧ-энергетики - экологическая безопасность созданного на их основе технологического оборудования. Последнее особенно актуально для технического перевооружения производства, так как традиционным для экономики России является сравнительно низкая (20%) доля электроэнергии в совокупном энергопотреблении. Касаясь оценки традиционных энергоносителей, заметим, что при сгорании 1м3 природного газа расходуется 8 м3 воздуха и образуется 9,5 м3 продуктов сгорания, загрязняющих окружающую среду [3].
Процесс сушки полимеров является процессом переноса вещества и характеризуется такими показателями, как коэффициент диффузии, диффузионный поток, оптимальное время сушки.
Была определена зависимость 1п(1-А/А0) от времени t, тангенс угла ^да) которой входит в формулу расчета коэффициента диффузии:
Б =
12 • tga
(1)
ж
где й - коэффициент диффузии, м /с;
I - путь, который проходит влага от центра гранулы до поверхности, м;
tдa - угол наклона кривой зависимости 1п(1-А/А0) от времени £
А1 - количество влаги в полиамиде в момент времени t, %;
А0 - количество влаги в полиамиде в состоянии равновесия, %.
Для расчета коэффициента диффузии необходимо найти зависимость 1п(1-А/Ао) от времени, позволяющую определить tga, по которому судят о скорости процесса. В литературе имеются данные по использованию этой зависимости для расчета скорости процесса сорбции влаги полимерными пленками, и другими материалами. Далее в работе доказана возможность использования этого подхода для изучения процессов десорбции влаги при сушке наполненного полиамида.
В зависимости от формы обрабатываемого образца можно определить величину пути прохождения влаги от центра образца.
Так для образца по форме представляющего собой, например, цилиндр с высотой h и радиусом г
I=4
3кг
(2)
Л - высота цилиндра, м. Диффузионный поток J определяют по формуле Фика.
Считая, что за оптимальное время поток воды в грануле проходит путь I:
J=-олс
I
(3)
где г - радиус цилиндра полиамида, м;
где Л - диффузионный поток, моль/м с;
АСа - изменение концентрации воды за оптимальное время, моль/м3;
I - путь, который проходит влага от центра гранулы до поверхности, м.
Пример определения характерного изменения tga представлен на рис. 1, где представлены экспериментальные данные изменения тангенса угла диэлектрических потерь tg5 при высокочастотном нагреве полиамида ПА-66.
Приняв за основу фундаментальные законы физики утверждающие, что скорость диффузии пропорциональна параметру, характеризующему конкретный материал [4] (тенгенс угла потерь характеризует диэлектрические показатели полимерного материала - проницаемость) и проведя аналогию, очевидно, что характерным изменениям (экстремумам) tg5 будут соответствовать аналогичные изменения показателя диффузионных процессов tga. Более того полиамиды -6, 66, 610, 12, полиэтилен-рефталат, полипропилен, поликарбонат и многие другие полимеры, используемые в промышленности относятся к классу непористых материалов, массоперенос которых определя-
гёё
3,5
2,5
1,5
0,5
Т сушки
50
100
150
200
250
Т, оС
Рис. 1. Изменения tg5 при высокочастотном нагреве полиамида ПА-66
4
ется закономерностям миграции молекул распределяемого вещества между молекулами твердого тела. При этом перенос вещества в данных материалах осуществляется в соответствии с законом молекулярной диффузии Фика [5].
Рассмотрев свойства полимеров и полученные выражения (1...3) можно сделать вывод, что наиболее эффективным диффузионный процесс (процесс сушки) будет в момент разогрева полимера, до максимального значения tg5, что соответствует температуре нагрева Т а 90%Тпл [6]. Проведенная серия экспериментов с целью определения эффективности ВЧ-сушки при данных показателях нагрева подтвердила данное предположение.
Эксперименты проводили на разработанной установке электротермической сушки [7], созданной на основе промышленного оборудования ВЧ-нагрева модели УЗП-2500. Загрузка технологического устройства осуществляется с использованием пресса, верхняя плита которого соединена с высокочастотным генератором и технологической оснасткой, схема изображена на рис. 2.
Механический привод пресса 1 жестко (с помощью изоляторов 2 из фторопласта) связан с высокопотенциальной плитой 3, к которой гибкой шиной подведено высокочастотное напряжение от генератора. При опускании при помощи педали 11 высокопотенциальной плиты обеспечивается надежный электрический контакт с высокопотенциальным электродом технологической оснастки, передающим развиваемое прессом усилие на обрабатываемое изделие. Детали обрабатываемого изделия устанавливаются в низкопотенциальном (заземленном) электроде 6 и фиксируются в нем.
Электрод опирается на низкопотенциальную опорную плиту 7, которая неподвижно закреплена на станине 8 пресса. Необходимое рабочее пространство, обеспечивающее оператору доступ к оснастке для смены устанавливаемых под обработку деталей, ограждено электростатической защитной экраном - крышкой 9, закрывающей загрузочную камеру 10 перед подачей ВЧ-энергии.
Процесс сушки заключается в нагреве до температуры Т а 90% Тпл и выдержки полимерных деталей в течении заранее определенного времени.
Для упрощения эксперимента и его автоматизации разогрев до температуры сушки велся при удельной мощности ВЧ-воздействия Pyd = const, позволяющей разогревать исследуемые образцы до температуры сушки в течении 1520 секунд.
Образцы изготавливались по ГОСТ [8...10] с площадью поперечного сечения S = 24 мм2. Принимая во внимание малую величину S и относительно большое время нагрева, было принято решение о том, что время выдержки образцов под прессом для их остывания после отключения ВЧ-генератора, принять равным нулю. Установка была снабжена автоматизированной системой управления и сбора информации, на основе контроллера семейства Ар-дуино. Схема построения (архитектура) экспериментальной установки позволяет оперативно, меняя программу логического контроллера (ПЛК), настраивать ее на решение различных промышленных и экспериментальных задач.
В ходе исследований [11] было определено, что изменениям фазового состояния широкого круга полимерных материалов, соответствуют характерные экстремумы электрофизи-
Рис. 2. Схема высокочастотного пресса с технологической оснасткой
ческих показателей обрабатываемого материала. Так, например, было определено, что значению первого минимума электрофизичесих показателей полимера соответствует температура плавления, а состоянию первого максимума значений tgб соответствует температура фазового превращения, когда сегментальная подвижность полимера «размораживается». Причем в этих областях у ряда полимеров Т -- 90% Тпл.
Необходимо также отметить, что данные электрофизические показатели обрабатываемого материала возможно контролировать по анодному току работы генератора. Кстати, такие приборы контроля штатно размещены на всех промышленных установках электротермического нагрева.
Это и было взято авторами за основу организации автоматизированного контроля системы управления.
Для обеспечения максимального быстродействия и экономии ресурсов ПЛК в нем были выключены все модули сбора информации за исключением канала сбора информации об анодном токе и модуля прекращения нагрева по достижении максимума анодного тока, соответствующего температуре сушки Т - 90%Тпл.
В результате установленных элементов автоматизации и разработанной программе управления авторами были произведены экспериментальные испытания по сушке конструкционных образцов изготовленных из элементов стеклонаполненных полиамидных сепараторов подшипников модели 2726 буксовых узлов подвижного состава.
Изготовленные образцы, в соответствии с разработанным технологическим процессом
подробно описанным выше, помещались в смоделированные погодно - климатические условия. В данном месте необходимо пояснить, что в ходе исследований авторами была определена дополнительная задача по сопоставлению гигроскопичных свойств полиамида в зависимости от внешних условий, соответствующих реальным условиям эксплуатации. Были разработаны модели погодно-климатических условий Западной и Восточной Сибири, что крайне важно при определении надежности эксплуатации машин и механизмов в условиях севера.
После помещения образцов на 24 ч в метеоусловия, указанные выше, образцы взвешивались на аналитических весах, подвергались ВЧ обработке и вновь взвешивались. Графическое отображение результатов эксперимента представлено на диаграмме (рис. 3).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ поученных данных показал, что вес образцов после ВЧ обработки стал меньше веса изначальных (до размещения их в климатические условия) образцов. Относительное (относительно изначального) уменьшение веса составило около 1%, что доказывает тот факт, что даже при простом хранении полимеров в нормальных условиях они абсорбируют влагу из воздуха 1, 12]. Качество сушки обусловлено особенностью ВЧ-нагрева, состоящего в том, что разогрев при электротермии идет изнутри.
Градиенты температуры и влажности направлены к поверхности обрабатываемого изделия, контактирующей с массивными, не нагревающимися электродами. Такое движе-ниепродуктов сушки способствует более эффективному удалению влаги с поверхности ма-
& 1,517
и о я
со ев Л Ю О о
<Ц
И
1,512
1,507
1,502
1,497
1,492
ЁЁЁ1
лето-осень
осень
осень-зима
зима
зима-весна
□ После моделирования погодно-климатических условий
□ До моделирования погодно-климатических условий
□ После ВЧ-сушки образцов воздействованых климат условиями
Рис. 3. Диаграмма веса образцов до и после сушки
весна Сезоны
териала. Более того внутренний нагрев создает избыточное давление пара, вытесняющего на поверхность изделия влагу, при этом не затра чивая дополнительной энергии на ее агрегатное превращение. Кстати сказать, что всего этого лишены традиционные способы сушки, сопряженные с поверхностным нагревом, создающим так называемый скин-слой, препятствующий свободному выходу на поверхность продуктов сушки. Все это еще раз доказывает эффективность ВЧ-нагрева с целью сушки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная на основе промышленного оборудования установка электротермической сушки позволила доказать возможность ис-
пользования температурного параметра (Тсушкиа а 90% Тплавления) и показателей фазового состояния при обработке полимеров путем высокочастотного нагрева. При определенных по первому экстремуму электрофизических показателях (tg5 = max) влага удаляется наиболее эффективно, по сравнению с традиционными способами сушки.
Сушка композиционных стеклонаполнен-ных полиамидных материалов, произведенная при определенных авторами параметрах, позволила увеличить прочностные характеристики полимерных материалов и изделий из них, что важно при организации технологических процессов хранения, транспортировки, формообразования, эксплуатации и ремонта.
1. ГОСТ 10589-87. Полиамиды стеклонапол-ненные. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1983. 19 с.
2. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1968. 536 с.
3. Синютин Е.В., Кашмет В.В, Марков А.В. Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле // Деревообрабатывающая промышленность. 2008. № 5. С. 26-28.
4. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 502 с.
5. Ишанходжаева М.М. Диффузия в системах с твердой фазой. СПб.: СПбГТУРП, 2012. 212 с.
6. Махов А.Н., Сударушкин Ю.К., Павлюк В.В. Конвективно-лучевая сушка композиционного материала на основе полиамида в фонтанирующем слое // Журнал прикладной химии. 2005. Т.78, № 12. С. 2008-2010.
7. Пат. № 2497673, RU, C2 B29C 65/04. Способ
ЖИЙ СПИСОК
высокочастотной обработки деталей из полиамида и устройство для его осуществления / С.К. Каргаполь-цев, А.В. Лившиц, А.Я. Машович, Н.Г. Филипенко; заяв. 2011142701/05 21.10.2011; опубл. 10.11.2013, Бюлл. № 31
8. ГОСТ 12423-66. Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов. М.: Изд-во Стандартинформ, 2006. 10 с.
9. ГОСТ 14359-69. Пластмассы. Методы механических испытаний. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1979. 21 с.
10. ГОСТ 26277-84. Пластмассы. Общие требования к изготовлению образцов способом механической обработки. М.: Изд-во стандартов, 1989. 20 с.
11. Филиппенко Н.Г. Автоматизация управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов: дисс... канд. техн. наук. Иркутск, 2012.
12. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М.: Химия, 1982. 212 с.
Поступило в редакцию 30 декабря 2013 г.
