CC BY
6УДК 661
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСТРУЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С МНОГОСЕКЦИОННЫМ ШНЕКОМ С ЦЕЛЬЮ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
1 2 3
Дядичев В.В. , Колесников А.В. , Дядичев А.В.
ФГАОУ ВО "КФУ им. В.И. Вернадского"
Адрес: г. Симферополь, ул. Павленко, 3, корпус 2, к. 108
ГОУ ВПО «Луганский национальный университет имени Владимира Даля»
Адрес: г. Луганск, ул. Тухачевского, 11, к. 215
1e-mail mr.dyadichev@mail.ru; 2e-mail angeykav@mail.ru; 3e-mail adyadichev@mail.ru
Аннотация. По результатам проведенных исследований в статье представлен анализ экологического состояния комбинированных полимерных отходов, обоснована необходимость дальнейших исследований в области совершенствования экструзионного оборудования по их переработке. Приведено описание функциональной схемы предлагаемого оборудования. По результатам математического моделирования обоснована эффективность предлагаемой конструкции.
Ключевые слова: Полимерные отходы, экструзия, экструдер, секция, зона, расплав.
Введение
Анализ тенденций использования полимеров указывает на стабильное увеличение спроса на полимерные материалы. В ближайшее время спрос на полимерные материалы ежегодно увеличиваться в среднем на 4%. Это обусловлено уникальным комплексом свойств полимерных материалов, а также практически неограниченными возможностями их модификации за счет создания полимерных композиций.
Комбинированный полимерный материал -это высокомолекулярное структура, состоящая из двух и более слоев разнородных полимерных материалов или различных марок одного и того же полимера.
Постановка проблемы
Основной целью создания такой композиции является сочетание в одном полимерном изделии эксплуатационных свойств пластмасс, обеспечить которые одной какой-либо полимерной маркой невозможно. В настоящее время пока не существует отдельного полимера или полимерной марки, обеспечивает одновременно целый комплекс эксплуатационных качеств полимерного сырья. К тому же наличие одной характеристики, нередко противоречит наличию другой. Этот факт объясняется особенностями молекулярного строения высокомолекулярных соединений. Обеспечить необходимый комплекс свойств полимерного продукта возможно только созданием комбинированного полимерного материала.
Из существующих способов утилизации отходов изделий из комбинированных полимерных материалов, как с экономической, так и с экологической точки зрения наиболее выгодный
способ вторичной переработки отходов из комбинированных полимерных материалов. Вторичная переработка позволяет за счет использования 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 чистой 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.
Начальным этапом процесса экструзии является получение 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 совместных комбинированных полимерных материалов и полимерных смесей 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 новые конструкции экструзионного оборудования, удовлетворяющего задачам экологической переработки полимерных комбинированных отходов.
Методика и результаты исследования
Каждая из зон шнека экструдера по переработке вторичных комбинированных полимерных материалов накладывает
специфические требования на ее функционально-конструктивное оформление. Если при переработке первичного сырья зонные различия могут вылиться только в отличия в геометрических параметрах зон при сохранении общей сути конструкции, то для получения качественного изделия из вторичных полимеров каждая зона может представлять различные по конструкции секции шнека, собранные механически в единый шнек.
Разработку схемы шнека экструдера по переработке вторичных комбинированных полимерных материалов необходимо осуществлять в соответствии с функциональным разделением зон шнека экструдера. Так, зона питания червяка должна обеспечивать захват гранулированного материала с загрузочного отверстия и транспортировку его вдоль оси червяка с заданной производительностью. В зоне плавления гранулы материала размягчаются и уплотняются, превращаясь в итоге в жидкую массу, не содержащую пустот. Размягчения материала происходит за счет вязкого трения и тепла, подводится от нагревателей корпуса. Зона дозировки должна обеспечивать дальнейшую гомогенизацию расплавленного материала и подачу его под определенным давлением до головки.
В зоне питания экструдера по переработке комбинированных полимерных отходов и смесей вторичных полимеров термопластичная полимерная смесь (вторичный дробленный комбинированный полимер + гранулированный первичный полимер + связывающий наполнитель) находится в нерасплавленном состоянии и пластическая масса не смачивает металлических стенок. Поступающий материал заполняет винтовой канал червяка и продвигается по нему. Поскольку объем витка винтового канала по мере удаления от загрузочного окна уменьшается, частицы материала перемещаются вдоль канала, преодолевают сопротивление, вызывая увеличение давления внутри твердого материала и уплотняясь.
Как конструкцию зоны питания шнека экструдера целесообразно использовать секцию с коническим винтовым каналом. По мере продвижения по каналу увеличивается объемная плотность материала при сохранении первоначального объема, полученного в зоне бункера. Для компенсации этого изменения, с целью обеспечения полностью заполненного канала
необходимо уменьшение площади поперечного сечения канала. В предлагаемой конечной секции площадь уменьшается за счет уменьшения глубины канала шнека И (рис. 1).
экструдера для комбинированных полимерных отходов
При переработке на экструдере комбинированных полимерных отходов и смесей вторичных полимеров зона плавления должна включать две функциональные секции: барьерную секцию и секцию декомпрессии.
Задачи барьерной секции состоят в полном расплавлении полимерной смеси, создании в результате расплава с равномерной по всему объему температурой и его гомогенизация (равномерное смешивание). Вопрос гомогенизации является специфическим при переработке именно данных типов полимерного сырья, поскольку это смесь, включающая вторичный дробленый полимер, гранулы первичной полимерного сырья, пластификаторы, красители и возможно другие компоненты. От качества смешения этих компонентов в единую структуру напрямую зависят характеристики получаемого изделия: механическая прочность, относительное удлинение при разрыве, внешние декоративные качества.
Задачей секции декомпрессии является удаление легколетучих соединений, содержащихся в отходах (пары воды или растворенные или поглощены газы). Источником подобных составляющих могут быть последствия предыдущего использования полимеров или недостатки подготовительных операций процесса утилизации. При наличии подобных включений в готовом изделии это может негативным образом сказаться на его качестве (наличие поверхностных дефектов: пузыри, вспенивание, неровности, ухудшение механических характеристик).
Барьерная секция необходима для качественного плавления и равномерного перемешивания полимерной смеси, которая перерабатывается. Принцип работы барьерной секции заключается в следующем: в канале червяка есть два витка: основной и барьерный. Зазор между гребнем барьерного витка и цилиндром больше, чем зазор между главным витком и цилиндром. Зазор барьерного витка достаточно большой, чтобы полимер плавился и мог переливаться через него, но
очень маленький зазор для нерасплавленных частиц полимера, которые могли бы перейти через барьер. В канале основного витка, в результате тепла корпуса экструдера, подводимого от нагревателей, вверху образуется тонкая пленка полимерного расплава. Этот расплав в результате действия перепада давления на длине участка канала перетекает в канал барьерного витка. В результате твердая фаза будет расположена в активной стороне витка барьера, и полимер расплавляется обычно в пассивной стороне витка барьера. Таким образом, виток барьера разделяет полимер на две фазы.
Таким образом, барьерная секция имеет канал твердой полимерной смеси и канал расплава. По направлению движения материала в экструдере площадь поперечного сечения канала твердого вещества уменьшается, тогда как площадь поперечного сечения канала плавления соответственно увеличивается. При этом закон изменения площади соответствует закону плавления полимерной смеси. В конце барьерной секции, канал для гранул уменьшается до нуля, тогда как канал для расплава начинает занимать полностью все пространство. Эта геометрия гарантирует полное плавления компонентов смеси, потому что они не могут находиться вне барьерной секции, если гранулы не способны пересечь зазор барьера. Это возможно в том случае, если частица уменьшилась до размера, который допускает быстрое плавления при пересечении барьера.
Существующие конструкции барьерных секций выполняют лишь функцию равномерного плавления твердой полимерной фракции, однако при правильном ее конструктивном оформлении эта секция вполне может выполнять также функцию интенсивного смешивания компонентов. Это возможно за счет интенсификации сдвиговых нагрузок в момент перетекания полимерного расплава через барьерный виток. Добиться увеличения сдвиговых нагрузок возможно путем увеличения значения градиента давления в канале твердой фракции, который в свою очередь возрастет при рациональном конструировании канала течения барьерной секции и разном уровне поверхности в канале твердой фракции и канале расплава барьерной секции. При большем коэффициенте трения в канале твердой фракции происходит торможение перемещения пробки, в результате чего повышается ее однородность, а также увеличивается градиент давления, увеличивается смешение компонентов расплава в момент его перетекание через барьерный зазор.
Чтобы получить максимальную эффективность плавления, канал твердого вещества должен быть заполнен частицами смеси и иметь только тонкую расплавленную пленку между основным витком червяка и цилиндром. Это может привести к закупориванию канала, поэтому динамика процесса плавления должна сочетаться с
уменьшением профиля канала для твердого вещества.
Существенное преимущество барьерной секции заключается в том, что происходит физическое разделение расплавляемого материала, и твердой фазы. В результате меньше возможности образования расплавленной пленки, между твердой фазой полимера и винтом. Таким образом, процесс плавления может происходить в устойчивой форме, и не обязательно при высоком давлении.
Секция декомпрессии. Самый эффективный способ удаления летучих соединений при экструзии заключается в том, что в стенке корпуса делаются вентиляционные окна.
Удаление летучих соединений из сырья производится в расплавленном состоянии на специальном участке червяка следующем после барьерной секции, в котором канал червяка только частично заполненный материалом. На этом участке давление, созданное на секции плавления и питания падает до нуля, поэтому для подобных секций применяется термин секция декомпрессии. Частичное заполнение канала червяка достигается увеличением (в четыре раза по сравнению с секцией плавления) глубины канала экструдера, а поскольку материал в секцию декомпрессии поступает с барьерной секции, пропускная способность которой меньше, чем в секции декомпрессии, секция декомпрессии работает в условиях недостаточного питания. В результате винтовой канал на участке этой секции оказывается не полностью заполненным материалом, и летучие продукты, которые выделяются из расплава, могут быть отобраны из пространства, образующегося позади стенки винтового канала. Отверстия в корпусе располагаются обычно в конце секции декомпрессии. Для предотвращения засорения отверстий материалом им следует добавить соответствующий профиль.
Зона дозирования экструдера по переработке комбинированных полимерных отходов и смесей вторичных полимеров является окончанием шнека, после нее материал продавливается через экструзионную головку для окончательного формования. Поэтому эта зона является определяющей по основным параметрам экструдера: производительность, развиваемое давление, температурная и механическая однородности материала. Материал в зону дозирования попадает в виде гомогенного полимерного расплава, из которого удалены летучие соединения, однако давление в расплаве равно нулю.
Давление, создаваемое в этой зоне, должно обеспечить продавливание расплава через профилирующую матрицу. При этом возможная производительность зоны дозирования должна превышать пропускную способность барьерной секции зоны плавления, для того, чтобы предотвратить заполнению канала на участке зоны декомпрессии. Наилучшие результаты получаются,
если глубина канала зоны в 1,2 - 1,5 раза больше глубины канала дозирующей зоны.
Как конструкцию зоны дозирования шнека рекомендуется использовать последовательно две секции: коническую и цилиндрическую секции. Подобная конструкция позволяет создавать достаточно высокое давление на выходе экструдера, а также исключит возможность возникновения пульсаций давления, производительности и обеспечит хорошую температурную однородность полимерного расплава.
Коническая секция производит объемное сжатие полимерного расплава за счет изменения глубины канала. При этом создается давление, необходимое для продавливания расплава через профильную головку. На входе в секцию глубина канала составляет 1,5 глубины выходного канала барьерной секции зоны плавления, по мере продвижения к концу секции глубина канала сокращается до величины, определяющей максимальное давление, создаваемое экструдером.
Цилиндрическая секция делает
стабилизирующее влияние на свойства, полученные расплавом в конической секции: улучшается равномерность расхода материала, стабилизируется температурное поле расплава, исчезает вероятность возникновения пульсаций давления зоны. Однако в этой секции возможно незначительное падение величины давления. Кроме качественной стабилизации материала секция также определяет результирующую производительность экструдера.
г, мм 0,008
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 ПШ,С 1 Рис. 2. График сравнительной оценки влияния частоты вращения шнека на качество смешения предлагаемой многосекционной конструкции шнека с существующими прототипами:
.....Многосекционный шнек,
используемый для переработки полимерных отходов методом соэкструзии;
-- Разработанный экструзионный
многосекционный шнек.
Предложенная схема проанализирована методом математического моделирования: проведена сравнительная оценка разработанной конструкции с многосекционным шнеком, применяемым для переработки полимерных отходов
методом соэкструзии. Значительным недостатком данного прототипа является узкий диапазон рациональных рабочих частот переработки: 0,240,42 с-1. На рис. 2 приводятся сравнительные зависимости толщины полос компонентов на рабочих диапазонах частот. Диапазон рабочих частот для разработанного экструзионного шнека по переработке вторичного комбинированной полимерного сырья составляет 1,13-1,92 с-1, ширина диапазона в 4,4 раз превышает значение прототипа.
Выводы и направления дальнейших исследований
Таким образом, разработанный
многосекционный шнек более рациональный для процесса экструзионной переработки полимерного сырья за счет более широкого диапазона эффективных рабочих частот. Использование значений частот с максимальным качеством смешивания даст увеличение производительности в 4,71 раза, что необходимо для процесса экструзии.
Кроме того, за счет применения в барьерной секции каналов различной шероховатости и рациональных конструктивных параметров достигнуто увеличение качества смешивания компонентов в 4,3 раза по сравнению с данным прототипом.
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 KS. The Effect of Flight Radii Size on the Performance of Single-Screw Extruders, SPE ANTEC, - 1999. - Р. 190-194.
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.
10. Экструдер для переработки вторичных полимерных материалов: патент на полезную
модель RUS 156859 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015122963; заявлено 15.06.2015г.; зарегестрировано 23.10.2015г.-3с.
11. Экструдер для переработки вторичных полимерных материалов: патент на полезную модель RUS 162449 /Дядичев В.В., Колесников
A.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015122964; заявлено 15.06.2015г.; зарегестрировано 23.10.2015г.-3с.
12. Экструдер для переработки термопластов: патент на полезную модель RUS 157101 /Дядичев
B.В., Колесников А.В., Дядичев А.В.; заявитель и
патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В .И.Вернадского».-№2015125220; заявлено
25.06.2015г.; зарегестрировано 29.10.2015г.-3с.
13. Экструдер для переработки термопластов: патент на полезную модель RUS 154655 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015117856; заявлено 12.05.2015г.; зарегестрировано 06.08.2015г.-3с.
14. Экструдер для переработки термопластов: патент на полезную модель RUS 154542 /Дядичев В.В., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И.Вернадского».-№2015117857; заявлено 12.05.2015г.; зарегестрировано 03.08.2015г.-3с.
Dyadichev V. V., Kolesnikov A. V., Dyadichev A. V.
IMPROVING EXTRUSION EQUIPMENT WITH MULTI-SECTION OF THE SCREW IN ORDER TO SOLVE ENVIRONMENTAL PROBLEMS COMBINED RECYCLING WASTE
POLYMER
Summary: The results of the research in the article the analysis of the ecological state of the combined polymer waste, the necessity of further research in the field of improvement of extrusion equipment for their processing. The description of the functional diagram of the proposed equipment. According to the results of mathematical modeling proved the effectiveness of the proposed design.
Key words : Polymer waste, extrusion, extruder section zone melt.
