CC BY
44
УДК 532.542; 532.135
А. А. Панов (к.т.н., в.н.с.)
Влияние ультразвука на расплав полимера в формующих каналах экструзионной головки при изготовлении оконного карниза
Институт прикладных исследований АН РБ, лаборатория перспективных конструкций и моделирования технологических аппаратов 453103, г. Стерлитамак, ул. Одесская, 68; тел.-факс (3473) 205970, e-mail: [email protected]
А. А. Panov
Ultrasound influence on polymer melt in forming channels of the extrusion heads at manufacturing of window eaves
State independent scientific institution institute of applied researches of academy of Sciences of republic Bashkortostan Laboratory of perspective designs and modeling of technological devices 68, Odessa Str., 453103, Sterlitamak, Russia, ph.-fax (3473) 205970; e-mail: [email protected]
Представлена конструкция двухканальной экструзионной головки для изготовления полимерного оконного карниза с применением ультразвуковых колебаний, предложена математическая модель для определения основных параметров работы устройства. Приведены сравнения экспериментальных данных и расчетов по предлагаемой математической зависимости, выявлено их хорошее согласование для исследуемых полимеров. Разработанная экструзионная головка отличается простотой конструкции, сборки и разборки, а также позволяет увеличить производительность и улучшить качество получаемого оконного карниза, исключить неравномерность выхода экструдата за счет симметричного расположения формующих каналов.
Ключевые слова: оконный карниз; полимер; расплав; ультразвуковые колебания; экструдат; экструзионная головка.
In present work the developed design two-channel extrusion heads for manufacturing of polymeric window eaves with application of ultrasonic fluctuations is considered, and also the received mathematical model for definition of key parameters of work of the device is presented. Comparisons of experimental data and calculations on offered mathematical dependence are resulted, their good coordination for investigated polymers is revealed. Developed extrusion head differs simplicity of a design, assemblage, and dismantling, and also allows to increase productivity and to improve quality of received window eaves, to exclude non-uniformity of an exit экструflата at the expense of a symmetric arrangement of forming channels.
Key words: window eaves; polymer; melt; ultrasonic fluctuations; extrudate; extrusion head.
Широкое использование полимерных материалов в различных отраслях промышленности требует не только создания новых технологических процессов их переработки, но и усовершенствования уже существующих с целью их оптимизации и интенсификации.
В связи с высоким гидравлическим сопротивлением формующих профилирующих каналов экструзионных головок их пропускная способность относительно невелика, поэтому разработка способов снижения сопротивления формующих каналов важна для интенсификации процесса экструзии.
Одной из целей данной работы является исследование снижения сопротивления формующих каналов экструзионных головок и уменьшения вязкости расплава полимера. Известно, что под действием ультразвуковых колебаний вязкость расплава полимера уменьшается. Так, наложение ультразвукового поля на расплав полимера в зоне формования вызывает повышение весового расхода в несколько раз 1-10.
В данной работе рассматривается конструкция двухканальной экструзионной головки для изготовления полимерного оконного карниза с применением ультразвуковых колебаний, которая представлена на рис. 1.
Дата поступления 15.01.11
12 12 13
Рис. 1. Поперечный разрез двухканальной экстру-зионной головки: 1, 2, 3, 4 — разъемные секции; 5 — проточка; 6 — формующие каналы; 7 — проточка; 8 — формообразующая поверхность в виде пологос-падающей кривой; 9 — углубление для циркуляции охлаждающей жидкости; 10 — патрубок; 11 — крепеж; 12 — магнитострикционные преобразователи; 13 — источник ультразвуковых колебаний.
На рис. 2 представлено поперечное сечение полимерного оконного карниза, где показаны крепежные пазы 5 и 7: в верхней части— для крепления карниза к кронштейну, в нижней части карниза — для установки зацепляющихся крючков.
8 7 8
5 5 5
Рис. 2. Поперечное сечение полимерного оконного карниза
Двухканальная экструзионная головка для изготовления полимерного оконного карниза работает следующим образом.
Расплав полимера, нагнетаемый шнеком экструдера, попадает в питающий канал, далее в формующие каналы 5.
Формующие каналы 6 придают расплаву полимера форму в виде оконного карниза, в соответствии с рис. 2, при помощи секций 1-4 и формообразующей верхней поверхности в виде пологоспадающей кривой 8. При этом секции корпуса 1-4 изготовлены из стали 45 с высоким классом чистоты поверхности ,
что позволяет при совмещении указанных секций 1-4 получать при сборке цельные без малейших зазоров формующие каналы 6, при продавливании через которые струи расплава полимера на поверхности оконного карниза не образуется следов от мест соединения деталей, и оконный карниз выходит из формующего канала 6 с глянцевой поверхностью с высоким классом чистоты.
В секции 2 предусмотрено углубление 9 для циркуляции охлаждающей жидкости при помощи подачи хладагента через патрубок 10 в систему охлаждения экструдируемого оконного карниза через формующие каналы 6.
При прохождении расплава полимера по формующим каналам 6 на массу расплава воздействуют ультразвуковые колебания с помощью магнитострикционных излучателей 12, установленных на верхней и нижней плоскостях корпуса экструзионной головки. Источником ультразвуковых колебаний служил ультразвуковой генератор 13, с помощью которого создается наложение колебаний на расплав полимера в зоне формования с фиксированной частотой колебания 18.5; 21.6; 22.1; 23.5.
Экспериментальные исследования проводились на опытной установке с экструдером АТЛ-45, имеющим шнек диаметром 45 мм и длиной 1125 мм.
Экструзионная головка имела следующие размеры: ширина корпуса 240 мм, длина 280 мм, высота 150 мм, с учетом магнитострикционных излучателей 470 мм, длина формующих каналов 220 мм.
На указанной экструзионной головке получали оконный карниз из полипропилена марки 01003 ТУ 2211-020-0020-3521-96 шириной 110 мм, высотой 30 мм, проточки в пазах выполнены: в нижней части для размещения крепежных крючков 5 мм, а в верхней части для крепления к кронштейну 12 мм.
Оптимальный режим экструзии при температуре в пределах 468—478 К и создаваемом давлении экструзии в пределах 4.0—4.5 МПа, при фиксированной частоте наложения ультразвуковых колебаний 22.1 кГц на расплав полимера в зоне формования.
Математическая модель и экспериментальные исследования работы устройства
Снижение вязкости расплавов полимеров зависит от частоты воздействия ультразвуковых колебаний следующим образом 1:
ц{а) =
П
1 + а> г
2„,2
1
а — ю( Р)2
(1 + а2г2)2 -1
2((1 + ш2 г2)
товлении оконного карниза определялся по формуле 6:
а—
арЗ
Г Г1 КТ (Яг -3) ¿г г0 КТ •"0 г/ ■'1 ц(ю)
¿Т
(3)
(1)
где ц(ю) — эффективная вязкость полимера при воздействии ультразвуковых колебаний, Па-с;
П — эффективная вязкость расплава полимера без воздействия ультразвуковых колебаний, Па-с;
ю — частота ультразвуковых колебаний, Гц;
= п
г —— — время релаксации, с;
Е
Е — модуль упругости полимерного материала, Па.
При рассмотрении ультразвуковых волн в расплаве полимеров происходит поглощение энергии волны и уменьшение амплитуды колебаний.
Зависимость коэффициента поглощения от частоты ультразвуковых колебаний имеет
1
вид 1:
где Q — расход расплава полимера кг/с;
а и Ь — коэффициенты формы канала; 5 — площадь поперечного сечения канала, м2; г — время релаксации, с; р — плотность расплава полимера, кг/м3; 8 — глубина проникновения ультразвука в полимер, м;
т — напряжение сдвига, Па; К1 и К2 — коэффициенты, уменьшающие или увеличивающие расход полимера Q в зависимости от того на какую часть периметра канала проникает ультразвук.
Определить эти коэффициенты достаточно просто 6:
к—П
1 П
(4)
(2)
Так как в рассматриваемой экспериментальной установке излучатели ультразвуковых колебаний расположены на внешней поверхности формующей головки, то наиболее интенсивному воздействию ультразвукового поля подвергается часть расплава полимера, прилегающая к стенкам канала.
Расчет глубины проникновения ультразвукового поля в полимер показал, что в области исследуемых частот для типичных параметров полимера (п=2х10-2 Па-с; Е=3х106 Па; при Р=4.0 МПа) глубина проникновения ультразвука в полимер определяется как 8=1/а и составляет 8=1.5х10-3 м, что меньше гидравлического радиуса формующего канала. На основании этого можно сделать вывод, что на расплав полимера, находящийся в канале со стороны противоположной расположению излучателя, ультразвук практически не действует и, следовательно, не снижает его вязкости 3 4.
Расход расплава полимера при экструзии в формующем профильном канале при изго-
где П — общий периметр канала;
П^ — периметр на котором наблюдается воздействие ультразвука.
Повышающий коэффициент расхода равен 6: К2=2-К1.
Для предлагаемой нами конструкции экст-рузионной головки понижающие и повышающие коэффициенты равны соответственно К1 =0.75; К2=1.25.
Расчеты и проведенные исследования показывают, что формула (3) может быть применима для формующих каналов любого сложного профиля сечения, при использовании которых ультразвуковые колебания проникают по всей длине периметра канала. Эксперименты по исследованию течения расплавов полимеров в формующих каналах по изготовлению оконного карниза зависимости массового расхода Q расплава полимера от градиента давления АР в исследуемом канале (при длине канала 200 мм) представлены на рис. 3, знаками показаны экспериментальные данные, а сплошной линией теоретические значения. Как видно из экспериментальных данных, максимум расхода приходится на частоту ультразвука 22.1 кГц, что согласуется с результатами теоретических расчетов.
Рис. 3. Зависимость расхода полипропилена от градиента давления: (а) — при температуре 468К; (б) — при температуре 478 К.
Сравнение опытных данных и расчетов по предлагаемой математической зависимости выявило их хорошее согласование для исследуемого полимера, как без использования ультразвуковых колебаний, так и на задаваемых частотах. Расхождение составляет в среднем 13— 16 % для всех исследуемых частот.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый двухканальной экструзион-ной головкой для изготовления полимерных оконных карнизов с применением ультразвуковых колебаний, выражается в упрощении конструкции и повышении производительности и качества оконных карнизов благодаря выбору оптимальной геометрии поперечного сечения формующих каналов.
Техническая и экономическая эффективность использования рассматриваемой двухка-нальной экструзионной головки для изготовления полимерных оконных карнизов состоит в том, что она позволяет:
— повысить качество изделий за счет воздействия ультразвуковых колебаний на массу экструдируемого полимера в зоне формования;
— увеличить производительность выпускаемых изделий;
— исключить неравномерность выхода эк-струдата за счет симметричного расположения формующих каналов;
— упростить конструкцию экструзионной головки, а также сборку и разборку ее.
1.
3.
6.
Литература
Михайлов М. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. И. Молекулярная акустика.— М.: Наука, 1964.— 514 с.
Панов А. А. Многоручьевые экструзионные головки и методы интенсификации процессов экструзии.— Уфа: Гилем, 2008.— 192 с.
Володин В. П. Экструзия профильных изделий из термопластов.— СПб.: Профессия, 2005.— 480 с.
Тукачинский А. И., Пешковский С. Л., Бризиц-кий В. И. Реология в переработке полимеров.-М.: Изд-во НПО «Пластик», 1980.- С. 142. Панов А. К., Дорохов И. Н., Кафаров В. В. // М.: Доклады Академии наук СССР, 1988.Т. 303, №1.- С. 155.
Панов А. К. Влияние наложения ультразвука на процесс течения расплавов полимеров // Сб. научных трудов реология, процессы и аппараты химической технологии. - Волгоград: Изд-во ВПИ, 1983.- С. 100.
Kiselyova O. F., Panov A. A., Minsker K. S., Panov A. K. and Zaikov G. E. // Leading edge research on polymers and composites, New York: Nova Science Publishers, 2004.- P. 71.
8.
9.
10. 11.
М.
Материалове-
Абрамов О. В., Градов О. дение.- 2007.- №11.- С. Абрамов В. О., Булычев Н. А., Градов О. М., Кистерев Э. В., Муллакаев М. С. // Современные проблемы общей и неорганической химии.- М.- 2009.- С. 479.
Киселева О. Ф. Разработка конструкций экст-рузионных головок для изготовления профильно-погонажных полимерных изделий в условиях наложения ультразвуковых колебаний: Дис. ... канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ, 2001.- 142 с. Патент № 2147989. / Панов А.К., Киселева О. Ф., Шулаев Н. С. Опубл. 27.04.2000 г. Бюл. №12.
2
4
5
7
