CC BY
21
УДК 678. 657. 374
Т. А. Анасова (к.т.н., доц.)1, А. К. Панов (чл.-корр. АН РБ, д.т.н., проф., зав. отд.)2
Технология процесса соэкструзии комбинированных расплавов полимеров в условиях воздействия силовых полей
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, отдел физико-математических наук 453103, г. Стерлитамак, ул. Одесская, 68; тел. (3473) 238810
T. A. Anasova, А. К. Panov
Technology of ^extrusion process of combined polymer melts in the conditions of influence of force fields
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. (3473) 238810
Предложена технология получения прутков, стержней, нитей и профильных изделий извитым методом соэкструзии под воздействием силовых полей. Варьируя технологические факторы при получении извитых слоев, можно изменить их структуру и, следовательно, свойства изделия в желательном направлении. Использование экструзионной головки для изготовления извитых изделий из различных полимеров позволит получать комбинированные изделия различного поперечного сечения.
Ключевые слова: полимер; расплав; соэкстру-зия; стержень; формующий канал.
Данная работа посвящена изучению гидродинамических характеристик потоков расплавов полимеров при получении слойно-сек-торных комбинированных круглых или профильных изделий из различных пластмасс, а также извитых стержней из комбинированных материалов таких же профилей Смысл технологического процесса получения слойно-сек-торных извитых изделий методом экструзии заключается в том, что микропоры и другие дефекты, которые обычно наблюдаются в нитях (или прутках), перекрываются бездефектными участками при скручивании потоков расплавов полимеров, и в целом стержень оказывается однородным. Этот процесс позволит получить извитые прутки, нити и комбинированные волокна. Одна из основных технологических схем получения многослойных секторных изделий предполагает совмещение рас-
Дата поступления 30.11.10
We offer technology of reception of bars, cores, threads and profile products by a method coextrusion under the influence of force fields. Varying technology factors at reception of winding layers it is possible to change their structure and, hence, properties of a product in a desirable direction. Use of extrusion heads for manufacturing of winding products from various polymers will allow to receive the combined products of various cross-section section.
Key words: polymer; coextrusion; melt; forming channel; core.
плавов нескольких полимеров в общем оформляющем канале экструзионной головки, т. е. производить каркасирование готовых изделий.
Преимущество такого процесса соэкструзии нескольких компонентов, поперечные сечения которых имеют форму соприкасающихся секторов, состоит в том, что такая технология позволяет получать извитые стержни, прутки, нити и волокна, свойства которых аналогичны свойствам натуральной шерсти.
Извитость экструдата достигается благодаря скручиванию потоков и различиям коэффициентов теплового расширения отдельных материалов, что приводит к изгибанию моноволокна при его охлаждении и коагуляции после выхода из формующего канала.
Извитые комбинированные полимерные изделия, полученные соэкструзией с вращением сочлененных отдельных слойно-секторных слоев, имеют более плотные соединительные
швы и высокую механическую прочность на разрыв 3. Происходит также уменьшение эффекта разбухания комбинированного экстру-дата и увеличивается пропускная способность формующего канала, в целом улучшается качество термопластических изделий.
Методика эксперимента
Исследование технологического процесса соэкструзии комбинированных расплавов полимеров проводилось на опытной установке (описанной в работе 4), состоящей из трех цилиндров высокого давления 1 с внутренним диаметром 50 мм и длиной 500 мм, к которым через соединительный блок 2 была подсоединена экструзионная головка 3 (рис. 1).
Рис. 1. Опытная установка: 1 — цилиндр высокого давления; 2 — соединительный блок; 3 — экструзионная головка; 4 — вариатор; 5 — электродвигатель.
Каждый цилиндр 1, подводящие каналы 4 и формующая головка 3 нагревались отдельным теплоэлементом. Температура измерялась термопарами с помощью потенциометров ЭПВ-2.
Выдавливание расплава полимера из цилиндров осуществлялось давлением, создаваемым сжатым воздухом, и регулировалось редуктором РС-250.
Поставленная цель достигается тем, что в экструзионной головке для изготовления извитых изделий из термопластов канал втулки для прохода материала на входном участке сообщен с подводящими патрубками и выполнен
с распределительными выступами треугольной формы. Сама головка содержит корпус с подводящими патрубками, сообщенными с экстру-дерами, размещенную в корпусе втулку с каналом для прохода материала, связанную с приводом вращения и мундштук с формующим каналом. Кроме того, экструзионная головка снабжена переходным диском с конической камерой, размещенным между подводящими патрубками и втулкой.
Рис. 2. Конструкция экструзионной головки для изготовления свитых изделий из термопластов:
1 — разъемный корпус; 2 — вращающийся цилиндр; 3 — треугольные выступы; 4 — радиальный подшипник; 5 — упорный подшипник; 6 — втулка; 7 — крышка; 8 — болт; 9 — червячное колесо; 10 — формующий канал; 11 — переходной диск;
12 — уплотнительное кольцо; 13 — крышка; 14 — подводящие патрубки; 15 — червяк; 16 — коническая камера. А, В, С — расплавы полимеров.
На рис. 2 представлена конструкция экструзионной головки 6.
На рис. 3 представлен вид А этой головки. Червяк 12 размещен в подшипниковых узлах
13 и 14, которые с помощью пластин 15 соединены болтами 16 к корпусу 1 кронштейнами 17, и закрыт кожухом 18.
В зонах сложного сдвига происходит усиленная гомогенизация полимеров, что положительно сказывается на качестве извитых изделий.
Варьируя скоростью вращения втулки 2 и другими технологическими параметрами, можно легко добиться оптимального режима переработки полимеров с любыми физико-химическими свойствами.
Рис. 3. Конструкция экструзионной головки для изготовления свитых изделий из термопластов (сечение А)
Головка работает следующим образом.
Расплавы полимеров, подаваемые от различных экструдатов, поступают по трубкам 14, продавливаются через камеру 16 диска 11, где происходит смешение полимерных потоков. Далее материал попадает во входной участок канала втулки 2, где остриями распределительных выступов потоки полимеров захватываются и при вращении. Далее потоки полимеров проходят по всей длине канала и поступают в формующий канал 10 в виде единого извитого полимерного стержня. Откалиб-рованный извитый экструдат выходит из формующего канала соответственно его профилю. В зависимости от доли вводимых компонентов меняется картина поперечного сечения скрученного комбинированного экструдата. (рис. 4) У извитых полимерных изделий образуются более плотные соединительные швы, и комбинированный экструдат имеет более высокую механическую прочность на разрыв.
При вращении втулки 2 в начале и в конце канала возникает сложный сдвиг, который снижает эффективную вязкость и уменьшает гидравлическое сопротивление, что позволяет существенно увеличить объемную скорость выхода экструдата. Кроме того, в зависимости от частоты вращения цилиндра значительно снижается коэффициент разбухания 5 и при больших оборотах можно довести его до единицы, что очень важно в технологии переработки полимеров.
Рис. 4. Характер распределения черного и белого полиэтилена марки ПВД в поперечном срезе извитого комбинированного экструдата: 1;2;3;4;5 — ряды экструдатов.
Результаты и их обсуждение
Численные значения коэффициентов разбухания комбинированного извитого экструда-та из черного и белого полиэтилена марки ПВД, полученные экспериментально в зависимости от частоты вращения цилиндра и перепада давления, приведены в табл. 1. Как видно из таблицы, коэффициент разбухания уменьшается и при перепадах давления (2.0 и 3.0 МПа). С увеличением частоты вращения цилиндра до 0.44 об/с снижение его достигло 30—35 %. С увеличением частоты вращения цилиндра в зонах сложного сдвига происходит усиленная гомогенизация полимеров, что положительно сказывается на качестве извитых изделий и на увеличении пропускной способности формующего инструмента.
На рис. 4 показан характер распределения расплавов полиэтилена черного и белого цветов марки ПВД в поперечном разрезе изви-
Таблица 1
Численные значения коэффициентов разбухания комбинированного экструдата черного и белого полиэтилена марки ПВД, в зависимости от перепада давления и частоты вращения цилиндра при Т=433К
Коэффициент разбухания ^при различных частотах вращения цилиндра, об/с Перепад давления в канале, МПа
2.0 3.0 4.0 5.0 5.5 7.0
/=0 1.72 1.74 1.78 1.91 1.93 1.97
/7=0.15 1.41 1.62 1.68 1.84 1.87 1.94
/=0.17 1.35 1.57 1.63 1.78 1.82 1.92
/=0.22 1.30 1.50 1.61 1.75 1.80 1.90
/=0.27 1.27 1.45 1.59 1.70 1.79 1.89
/=0.31 1.20 1.42 1.57 1.67 1.76 1.88
/=0.36 1.15 1.36 1.51 1.62 1.75 1.80
/=0.44 1.12 1.26 1.47 1.57 1.70 177
того полимерного экструдата. В рядах с 1 по 5 показано изменение доли вводимого черного полиэтилена, составляющей 20—35 % от объемного расхода других марок полиэтилена. На фотографиях видно, что поперечное сечение скрученного комбинированного экструдата пятого ряда представляет собой архимедову спираль.
На рис. 5 показаны экспериментальные зависимости расхода расплавов полимеров (А, В и С) от перепада давления при различных частотах вращения цилиндра.
I Л. __ „ в ,1. з
¿Ф*
Перепад дзеиенш, МПа
Рис. 5. Зависимости расхода расплавов полимеров (А, В и С) от перепада давления при различных частотах вращения цилиндра при Т=433К: 1 - п=0 об/с; 2 - п=0 об/с; 3 - п=0 об/с; 4 - п=0 об/с; А - ПВД марки 10802-020; В- П2035Т; С- ПВД марки 176
Таким образом, варьируя скорость вращения цилиндра и другие технологические параметры, можно легко добиться оптимального режима переработки полимеров, обладающих любыми физико-химическими свойствами.
Использование экструзионной головки для изготовления извитых изделий из термопластов позволит получать комбинированные изделия и повысить производительность, а также стабилизировать неразрывность потока и тем самым увеличить механическую прочность изделий на 15—20 %.
Литература
1. Хан Ч. Д. Реология в процессах переработки полимеров.— М.: Химия, 1979.— 366 с.
2 . Анасова Т. А. Соэкструзия расплавов полимеров.- Уфа: Гилем, 2010.- 107 с.
3. Панов А. К., Анасов А. Р. Гидродинамика потоков аномально-вязких полимерных систем в формующих каналах.- Уфа: УГНТУ, 1994.260 с.
4. Панов А. К. Основы расчета гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред при течении в каналах машин и аппаратов химической технологии.- Уфа: УНИ, 1984.- 95 с.
5. Панов А. К., Дорохов И. Н. // Изв. вузов. Химия и химическая технология.- 1988.- №11.-С. 115.
6. А. с. СССР № 994283 Экструзионная головка для изготовления извитых изделий из термопластов / Панов А. К., Васильев В. П. // Б. И.-1983.- №5.
