CC BY
64
УДК 541.64:536
ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНОГО ПОЛИПРОПИЛЕНА
© А. Р. Садритдинов1, Э. С. Нуриманова1, А. С. Шуршина1, Р. К. Фахретдинов2, Л. Р. Галиев2, В. П. Захаров1*
1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
2ООО «Завод пластмассовых изделий А'Альтернатива'», Россия, Республика Башкортостан, 452615 г. Октябрьский, ул. 8 Марта, 9а
Тел.: +7 (347) 272 61 05.
*ЕтаИ: [email protected]
Для моделирования промышленных процессов переработки полимеров в лабораторных условиях использована относительная реометрия (пластограф Брабендера), позволяющая существенно уменьшить время проведения испытаний и количество используемого полимерного материала. В данной работе на лабораторной станции PlastographEC"(Brabender, Германия) исследовано влияние температуры и скорости вращение роторов на процесс переработки полипропилена. Варьирование температуры и скорости вращения роторов отражалось как на значениях показателя текучести расплава, так и на физико-механических свойствах полипропилена. Установлено, что оптимальной температурой переработки полипропилена является 180 °С, а скорость вращения роторов - 30 оборотов в минуту.
Ключевые слова: пластограф, переработка, полипропилен, относительная реометрия.
Введение
Одним из актуальных направлений является создание полимерных композиционных материалов. Интерес к ним обусловлен как возможностью создания материалов с новыми полезными свойствами [1], так и возможностью использования вторичного полимерного сырья, что позволит решить целый ряд научных и практических задач. Можно отметить, что утилизация пластиковых отходов сама по себе является одной из самых важных задач сегодняшнего дня [2].
В случае создания полимерных композиций, моделирование условий реальных процессов, которые имеют место в процессе переработки полимеров и создания композиций на их основе, может быть достигнуто с использованием относительной рео-метрии (реометров крутящего момента или пласто-графов Брабендера) [3]. Они сконструированы с таким расчетом, чтобы создавать максимально возможное турбулентное течение, высокий уровень сдвигового воздействия и оптимальное смешение всех гетерогенных компонентов, расплавов полимеров в условиях, когда проявляется нелинейная вяз-коупругая реакция материалов на сдвиг. Тот факт, что около 10 000 реометров крутящего момента десятилетиями используются во всем мире, доказал большие практические и экономические достоинства концепции относительной реометрии. При этом резко сокращается время проведения испытаний на крупном промышленном оборудовании, и экономятся тонны материалов.
Таким образом, цель работы заключалась в подборе оптимальных условий для переработки полимерного сырья на пластографе "PlastographEC" (ВгаЬеМег, Германия).
Экспериментальная часть
В работе использовали ПП марки Н-350РБ/3. Моделирование процесса переработки полимерных материалов осуществляли в расплаве на лабораторной станции (пластограф) "PlastographEC" (ВгаЬеМег, Германия) в течение 15 мин при нагрузке 200 Н. Температура в камере смешения варьировалась от 170 до 240 °С. Скорость вращения роторов -от 10 до 120 об/мин. Количество загружаемого полимера составляло 25 г.
Смеситель пластографа состоял из термостати-руемой камеры смешения и двух роторов, установленных параллельно и на некотором расстоянии друг от друга (рис. 1) так, чтобы окружности роторов только соприкасались друг с другом. Роторы в пластографе вращаются в противоположном направлении при соотношении скоростей 3:2.
Рис. 1. Поперечное сечение смесителя лабораторного типа.
Расплавы полимеров характеризуются ярко выраженным неньютоновским поведением, т.е. их вязкость зависит от приложенной скорости сдвига, которая на реометрах вращающего момента может быть установлена изменением скорости привода/ротора. Хотя при течении в смесителях не может быть задана определенная скорость сдвига, эта величина находится в пределах общего диапазона, которым характеризуется процесс переработки полимера.
Для того чтобы рассчитать диапазон реализуемых в пластографе скоростей сдвига, необходимо оценить минимальный и максимальный размеры зазора между роторами и камерой смешения и тангенциальные скорости на левом и правом роторах, связанные с частотой вращения привода (рис. 1).
В табл. приведены размеры лабораторного смесителя, используемого в нашей работе.
Таблица
Размеры (в мм) лабораторного смесителя
| Параметр | Размер |
Наибольший радиус ротора Г1 17
Наименьший радиус ротора Г2 11
Наибольший размер зазора у2 10
Наименьший размер зазора у1 1
Расчет диапазона скоростей сдвига в смесителе производили следующим образом.
Максимальная скорость сдвига рассчитывалась
как
Yi = vi/ yi,
где v1 - тангенциальная скорость на расстоянии r1, y1
- минимальный зазор между левой стороной ротора и вогнутой стенкой камеры;
минимальная скорость сдвига
Y2 = V2/ У2,
где V2 - тангенциальная скорость на расстоянии Г2, y2
- максимальный зазор между левой стороной ротора и вогнутой стенкой камеры.
При скорости вращения ротора, например, равной 10 оборотов в минуту, т.е.частоте вращения ротора ni2 = 0.17 [с-1] значение скорости сдвига составляет
Yi = 2*ri*n* ni2/yi= 2*17*3.14*0.17/1 = 18.15 [с-1]; Y2 = 2*Г2*п* ni2/y2= 2*11*3.14*0.17/10 = 1.17 [с-1]. Сопоставимая скорость сдвига на правой стороне ротора, вращающегося со скоростью n2i = 0.11 [с-1] (что составляет 2/3от nn), равна Y3 = 2*ri*n* n2i/yi = 2*17*3.14*0.11/1 = 11.74 [с-1] и Y4 = 2*Г2*п* n2i/y2= 2*11*3.14*0.11/10 = 0.76 [с-1].
Таким образом, отношение скоростей сдвига с левой (Ayi) и правой (ÄY2) стороны ротора составляют
AYI = 18.15/1.17 ~ 15, AY2 = 11.74/0.76 ~ 15.
При частоте вращения ротора 120 [мин-1] ni2 = 2 [с-1], значения скоростей сдвига составляют с левой стороны ротора
Yi = 213.52 [с-1] и Y2 = 13.82 [с-1],
а с правой стороны ротора, вращающегося со скоростью П21 = 1.33 [с1], равна уз = 141.99 [с1] и J4 = 9.19 [с1]. Таким образом, отношение скоростей сдвига и в этом случае равно Ayi ~ 15 и Aj2 ~ 15.
Таким образом, при варьировании частоты вращения ротора от 10 до 120 оборотов в минуту, скорость сдвига в пластографе варьировалась от 1 до 213 с-1.
Деформационно-прочностные свойства материала определяли на прессованных образцах материала толщиной 1 мм. Прессование осуществляли на автоматическом гидравлическом прессе "AutoMH-NE" (Carver, США) при 210 °С и выдержке под давлением 7000 кгс в течение 3 мин. Физико-механические свойства полимерных композитов при разрыве определяли согласно ГОСТ 1126280 на разрывной машине "ShimadzuAGS-X" (Shimadzu, Япония) при температуре 20 °С и скорости движения подвижного захвата разрывной машины 1 мм/мин. Показатель текучести расплава (ПТР) определяли при 190 °С и массе груза 2.16 кг. Деление композиции на отрезки производили каждые 30 с, полученные образцы взвешивали и рассчитывали среднюю массу.
Результаты и их обсуждение
На первоначальном этапе исследования была осуществлена оптимизация температуры, необходимой для переработки ПП в камере пластографа Бра-бендера. Варьирование температуры осуществляли от 170 до 240 градусов. На рис. 2 приведена рео-грамма ПП H350 FF3 при температуре 170 °С. Полимер, нагретый от стенок камеры и за счет энергии сдвига роторов, начинает плавиться, что проявляется в росте крутящего момента до максимума. Промежуток времени от пика кривой, который соответствует загрузке, до пика плавления определяет относительную скорость плавления. По мере заполнения камеры материалом наблюдается возрастание крутящего момента, который достигает максимального значения по окончании загрузки, после опускания верхнего затвора камеры. В дальнейшем происходит снижение крутящего момента во времени.
0 3 время, мин
Рис. 2. Зависимость крутящего момента от времени смешения полипропилена ПП H350 FF3 при температуре 170 °С.
Для остальных температур реограммы имеют аналогичный вид.
При изучении влияния температуры на процесс переработки полимера были выявлены следующие закономерности. Значение максимального крутящего момента со значения 53.3 при 170 °С скачкообразно уменьшается до 27.1 при 180 °С и далее практически не изменяется (рис. 3 кривая 1).
100 120 Скорость вращения роторов, об/мин.
Рис. 3. Зависимость максимального крутящего момента от температуры (1) и от скорости вращения роторов (2) в камере пластографа Брабендера.
Значение же минимального крутящего момента, фактически отражающего вязкость материала закономерно уменьшается с увеличением температуры (рис. 4 кривая 1).
80 100 120 скорость вращения роторов, об/мин.
Рис. 4. Зависимость минимального крутящего момента от температуры (1) и от скрости вращения роторов (2) в камере пластографа Брабендера.
Варьирование температуры в камере пласто-графа отражается и на значениях ПТР (рис. 5 кривая 1), являющегося одной из важнейших характеристик для процесса переработки, и на деформационно-прочностных показателях (рис. 6-8 кривые 1). Повышение температуры в камере пластографа приводит к увеличению значений ПТР (рис. 5 кривая 1), уменьшению значений разрывного удлинения (рис. 6), модуля упругости (рис. 7) и разрывного напряжения (рис. 8).
Исходя из анализа представленных на рисунках данных, оптимальной и рекомендуемой температурой для переработки ПП Н350 FF3 была признана температура 180 °С, при которой ухудшение физико-механических показателей незначительно.
80 100 120 скорость вращения роторов, об/мин.
Рис. 5. Зависимость ПТР от температуры (1) и от скорости вращения роторов (2) в камере пластографа Брабендера.
80 юо 120
скорость вращения роторов, об/мин.
Рис. 6. Зависимость разрывного удлинения от температуры (1) и от скорости вращения роторов (2) в камере пластографа Брабендера.
Еще одним варьируемым параметром при изучении процесса переработки в пластографе Брабен-дер является скорость вращения роторов. По мере изменения величины скорости сдвига изменяется и величина максимального крутящего момента. При этом можно отметить, что с увеличением скорости вращения роторов от 10 до 30 оборотов в минуту происходит закономерное уменьшение величины максимального крутящего момента (рис. 3 кривая 2) (что соответсвует уменьшению вязкости с увеличе-
нием скорости сдвига). Дальнейшее увеличение скорости вращения роторов приводит к повышению величины крутящего момента, возможно вследствие увеличения гидравлического сопротивления расплава. При этом, минимальный крутящий момент (рис. 4 кривая 2) увеличивается с увеличением скорости врашения роторов.
80 Ю0 120 скорость вращения роторов, об/мин.
Рис. 7. Зависимость модуля упругости от температуры (1) и от скорости вращения роторов (2) в камере пластографа Брабендера.
80 100 120 скорость вращения роторов, об/мин.
Рис. 8. Зависимость разрывной прочности от температуры (1) и от скорости вращения роторов (2) в камере пластографа Брабендера.
Показатель текучести расплава при этом закономерно увеличивается, что свидетельсвует об уменьшении вязкости при больших скоростях сдвига (рис. 5 кривая 2).
Проведение физико-механических испытаний показало, что изменение скорости вращения роторов от 10 до 50 оборотов в минут практически не сказывается на значениях физико-механических показателей (рис. 6-8 кривые 2). Дальнейшее увеличение скорости сдвига приводит к некоторому ухудшению физико-механических показателей, по всей видимости из за накопления образцами дефектов, а также механической деструкции полимера в камере смешения пластографа.
Значительное худшение показателей по значениям относительного удлинения при разрыве и модуля упругости начинается при превышении скорости вращения роторов более50 оборотов в минуту (рис. 6 и 7 кривые 2).
Можно отметить, что увеличение скорости вращения роторов сопровождается закономерным уменьшением разрывной прочности образцов (рис. 8 кривая 2) при превышении скорости вращения роторов более 70 оборотов в минуту.
Таким образом, для дальнейших испытаний рекомендуемой температурой является 180 °С, а оптимальная скорость вращения роторов равна 30 оборотов в минуту.
Статья подготовлена в рамках выполнения научно-исследовательской работы в ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глазков С. С. Древесные композиционные материалы на основе вторичного сырья. Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. 174 с.
2. Ершова О. В., Ивановский С. К., Чупрова Л. В., Бахаева А. Н. // International journal of applied and fundamental research. 2015. №4. С. 14-18.
3. Schramm G. A Practical Approach to Rheology and Rheome-try. 2nd Edition. Federal Republic of Germany, Karlsruhe: Ge-brueder HAAKE GmbH, 2000. 291 p.
Поступила в редакцию 09.10.2017 г.
OPTIMIZATION OF SECONDARY POLYPROPYLENE PROCESSING
© A. R. Sadritdinov1, E. S. Nurimanova1, A. S. Shurshina1, R. K. Fahretdinov2, L. R. Galiev2, V. P. Zakharov1*
1Bashkir State University 32 Zaki Validi Street, 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Plant of Plastic Products "Alternativa " 9A 8 Marta Street, 452615 Oktyabrsky, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 272 61 05.
*Email: [email protected]
One of the current actual directions in chemical production is creation of polymeric composite materials. Dealing with creation of polymeric compositions, the relative rheome-try (Brabender's plastograph) is an effective means to reduce significantly time of carrying out tests and amount of the polymeric material required for modeling in laboratory conditions of industrial processes of polymer formation. In the study, polypropylene brand H-350FF/3 was used. The influence of temperature and rotation rate of rotors on polypropylene processing was studied at the laboratory station "PlastographEC" (Brabender, Germany) during 15 minutes at load 200 N. Temperature in the camera of mixing varied from 170 to 240 °C. Rotation rate of rotors varied from 10 to 120 rpm. The amount of the loaded polymer was 25 g. Changings in variation of temperature and rotation rate of rotors both affected values of fluidity of fusion and physicomechanical properties of polypropylene. Besides, changes in values of the maximum and minimum torque were observed. It is established, what the optimum temperature for polypropylene processing is 180 °C and optimum rotation rate of rotors is 30 rpm.
Keywords: plastograph, processing, polypropylene, relative rheometry.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Glazkov S. S. Drevesnye kompozitsionnye materialy na osnove vtorichnogo syr'ya [Wood composites based on recycled materials]. Voronezh: Izd-vo Voronezh. gos. un-ta, 2002.
2. Ershova O. V., Ivanovskii S. K., Chuprova L. V., Bakhaeva A. N. International journal of applied and fundamental research. 2015. No. 4. Pp. 14-18.
3. Schramm G. A Practical Approach to Rheology and Rheometry. 2nd Edition. Federal Republic of Germany, Karlsruhe: Gebrueder HAAKE GmbH, 2000.
Received 09.10.2017.
