CC BY
29
УДК 078.532,135.027.
Т. А. Анасова (к.т.н., доц.)1, А. К. Панов (чл.-корр. АН РБ, д.т.н., проф., зав. отд.)2
Слойно-секторная соэкструзия расплавов полимеров в формующих каналах
1 Башкирский государственный аграрный университет, кафедра математики г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34; тел. (347) 2289177, e-mail: [email protected] 2Стерлитамакский институт прикладных исследований 453103, г. Стерлитамак, ул. Одесская, 68; тел. (347) 3238810
T. A. Anasova1, А. К. Panov2
Layer-sector coekstrsion of polymer melts in forming channels
1 Bashkir State Agrarian University 34, 50-letiya Oktyabrya Str, Ufa, Russia; ph. (347) 2289177, e-mail: [email protected] 2Sterlitamak Applied Researches Institute 68, Odesskaya Str., 453103, Sterlitamak, Russia; ph. (347)3238810
Рассмотрены закономерности процессов течения расплавов комбинированных полимеров в формующих каналах при слойно-секторном совмещении. Предложены зависимости, позволяющие определить гидродинамические характеристики потоков расплавов полимеров при слойно-секторном течении в каналах. Проведено сравнение рассчитанных расходных характеристик по предложенным зависимостям с экспериментальными данными при течении слойно-секторных комбинированных полимеров в цилиндрических каналах.
Ключевые слова: канал; поток; расплав; расход; соэкструзия.
Laws of processes of flow of the combined polymer melts in forming channels at the layer-sector combination are considered. The dependences allowing to define hydrodynamic characteristics of streams of the polymer melts at the layer-sector flow in channels are offered. Comparison of the calculated characteristics on the offered dependences with experimental data at the layer-sector flow of the combined polymers in cylindrical channels is made.
Key words: coextrusion; melt; stream; channel; consumption.
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 соэкстру-зии нескольких компонентов с различными физико-механическими свойствами, поперечные сечения которых имеют форму соприкасающихся секторов, состоит в том, что такая технология позволяет получать нити и волокна, свойства которых аналогичны свойствам натуральной шерсти.
Материалы и методы
Метод расчета гидродинамических характеристик потоков при слойно-секторной соэкструзии расплавов в цилиндрических каналах. Для случая стационарного слойно-сек-торного движения трех и более компонентной системы задача решается при следующих допущениях: скольжение на ограничивающих стенках канала отсутствует, т. е. тст=тмах (схема течения — на рис. 1), гидростатическое давление для «п»-секторов
д p д y
= 0
д p д x
= const ,
скорости движения жидкостей на линии контакта равны между собой, линия контакта представляет собой прямую плоскость; вторичные потоки невелики по сравнению с основным продольным течением, продольные ско-
Дата поступления 25.12.10
Из уравнения (1) в этом приближении получим
т = -АРТ или ¿т = —АРу ■ (10)
Переходя в уравнении (7) от переменной г к переменной и учитывая в пределах каждого сектора слабую зависимость от угла 0, получим:
П 1 ттт
0 = Ив' • 4Арз ¡ъ (т)т^т> (11)
¿=1
где Qi — угловой размер сектора в радианах, в пределах которого течет одна из исследуемых жидко-
2п
стей многокомпонентной системы © = .
' п
В частном случае для п=3 из формулы (5.12) следует
ния в зависимости от реологических свойств и размеров канала.
Экспериментальная часть
Экспериментальное изучение процесса слойно-секторного течения трех сочленных расплавов полимеров в каналах проводилось на установке, состоящей из формующей головки, трех цилиндров высокого давления, которые устанавливались в гнезда головки, расположенные через 120о по периметру окружности. Процесс слойно-секторной соэкструзии трех сочленных расплавов полимеров в цилиндрических и призматических каналах проводились на установке, конструкция формующего узла которой показана на рис. 2. К гнездам через переходные втулки подсоединялись экст-рудеры (на рисунке не показаны).
О =
п
6 АР3
'ст ст
¡ ъ (т)т3^ + ¡ ъ2 (т^Тйт -
о
^ап + ¡
Полученная формула (11) 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-сектор-ном течении многокомпонентной системы можно предложить следующую обобщенную зависимость:
о=Ъ
'=1
ЬЯнОр
ь0
¡ъ (т)
о
Ыт,
(13)
где — площадь сектора, занимаемая г-м компонентом;
— гидравлический радиус г-го компонента; р — плотность г-го компонента; щ — текучесть г-го компонента; а и Ь — коэффициент формы г-го сектора (определялись по методу мембранной аналогии 2).
Предложенная обобщенная зависимость (13) позволяет рассчитать расход аномально-вязких жидкостей при напорном слойно-сек-торном течении в канале произвольного сече-
Рис. 2. Узел формующей установки для слойно-секторной соэкструзии трех сочленных расплавов полимеров: 1 — корпус формующей головки; 2 — формирующий канал; 3 — подводящий канал; 4 — гнезда для подсоединения экструдеров; 5 — уплот-нительное кольцо; 6 — прижимная втулка
Исследуемый канал 2 с помощью прижимной втулки 6 закреплялся в формующей головке 1. Нагрев и регулирование температуры осуществлялись аналогично методу, описанному в 2.
При исследовании процесса слойно-сек-торного течения расплавов полимеров в цилиндрических каналах расход и размер каждого
6
4
Рис. 3. Схемы слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров при соэкструзии: А — полиэтилен марки П2020Т (черный). Гост 10802-020; В — полиэтилен ПВД марки 176; С — полиэтилен ПНД марки 21006-075. Гост 16338-70; 1—4 — вид сечения канала и различные сочетания полимеров при соэкструзии
сектора в экструдере регулировался соответствующим давлением в каждый цилиндр и температурой, а в формующих каналах дополнительно в формующей головке устанавливалась прижимная втулка. Профили сечения призматических каналов и секторов соответствовали конкретному исследуемому каналу (рис. 3). Классический расход полимеров в них определялся по известной методике .
Методика проведения опытов и обработки экспериментальных данных аналогична методике, описанной в работе 5. Объектами исследования служили расплавы полиэтилена высокого давления марок П2020Т, П2035Т и 15802020 при температуре 423 и 443 К.
На рис. 1 приведена схема слойно-сектор-ного течения расплавов в каналах. Опыты по слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров проводились на трех длинах каналов 120, 150, 180мм. Входовые потери давления исключались по методу В. В. Бэгли 4. Опыты
20
20
2.0
4.0 6.0
2.0 4.0
Градиент давления, А Р-10-7. Па/м ^
Рис. 4. 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 в канале 2.
2
2
0
6.0
Градиент давления, А Р-10" . Па/м ^
Рис. 5. Зависимости расхода расплавов полиэтилена при слойно-секторной соэкст-рукции от перепада давления на единицу длины каналов при Т=443К (1) и Т=423К (2): а — соэкструзия в канале 4; б — соэкструзия в канале 3.
сводились к измерению давления от экструде-ров и расхода комбинированных сочленных каркасированных экструдатов через каналы.
На рис. 4 и 5 представлены зависимости массового расхода от перепада давления на единицу длины исследуемых каналов: точками показаны экспериментальные величины расходов, а сплошными линиями — теоретическая зависимость.
Результаты и их обсуждение
Сравнение величин и , представленное на рис. 4 и 5, указывает на хорошую корреляцию между величинами и 0э; расхождение расходных показателей и в среднем составляет ±10% и не превышает ±15%. При вычислении интеграла в уравнениях (11) и (13) использовалась система решения прикладных задач «Ма^са^х
Таким образом, разработанные нами зависимости (11) и (13) можно рекомендовать для
определения пропускной способности комбинированных расплавов полимеров при многослойном и слойно-секторном течении в призматических каналах.
Литература
1. Тарг С. М. Основные задачи теории ламинарных течений.— М: Гос. изд-во тех-теор. лит., 1951.- 420с.
2. Панов А. К., Анасов А. Р. Гидродинамика потоков аномально-вязких полимерных систем в формующих каналах.- Уфа: УГНТУ, 1994.— 260с.
3. Панов А. К. Основы расчета гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред при течении в каналах машин и аппаратов химической технологии.— Уфа: УНИ, 1984.— 95 с.
4. Хан Ч. Д. Реология в процессах переработки полимеров.— М.: Химия, 1979.— 366 с.
5. Анасова Т. А. Соэкструзия расплавов полимеров.— Уфа: Гилем, 2010.— 107 с.
6. Виноградов Г. В., Прозоровская Н. В. // Пластические массы.— М.— 1964.— №5.— С.50.
