WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Таким образом, метод расчёта основных технологических параметров процесса измельчения "мягких" полимерных отходов в разработанной установке позволяет установить зависимость усилия резания, необходимого для разрушения структурных связей полимера, от геометрических и кинематических параметров режущих органов с учётом высокоэластических свойств измельчаемого материала.

Глава 3. Исследование реологических свойств и гидродинамических характеристик расплавов полимеров до и после вторичной переработки Для изучения реологических свойств полимерных материалов до и после вторичной переработки и гидродинамических характеристик их потоков при истечении из каналов со сложным поперечным сечением использовалась экспериментальная установка, смонтированная в лаборатории НИР на кафедре ОНХЗ Стерлитамакского филиала УГНТУ.

В качестве объектов исследования использовались широко применяемые в химической промышленности полимеры, доля отходов которых составляет значительную часть всех технологических отходов производства полимеров:

полиэтилен высокого давления ПВД 15802-020; полиэтилен низкого давления ПНД-277 и ПНД-289. Указанные полимеры исследовались до и после вторичной переработки с последующим сравнительным анализом.

Для оценки качества и оптимальных режимов дальнейшей переработки вторичного полиэтиленового сырья необходимо исследовать его реологические свойства.

Производили две серии опытов на каналах круглого сечения: одну – на длинном, другую – на коротком, с диаметром отверстий 4,210-3 м и длинами соответственно lдл=0,12 и lк=0,06 м.

Входовые потери давления исключались с помощью метода двух капилляров, и все необходимые расчеты по вискозиметрии расплавов полимеров проводились по методике, описанной в данной главе.

Результаты вискозиметрических опытов при течении расплавов полимеров при температурах 130, 150, 160 и 170°С представлены в виде графических зависимостей эффективной текучести от напряжения сдвига эф = f(ист).

Максимальная погрешность не превышала 5%.

В процессе переработки исследуемые материалы подвергаются дополнительным механохимическим воздействиям, термической и термоокислительной деструкции, что ведет к изменению химической структуры. Следствием этого стало повышение эффективной текучести всех полимерных материалов после вторичной переработки, которое составило 10-12%.

Целью исследования гидродинамики потоков расплавов полимеров было получение расходных характеристик первичных и вторичных полимеров.

Экспериментальные исследования гидродинамических характеристик потоков при экструзии полимеров проводились в каналах сложной формы, сечения и геометрические характеристики которых представлены в таблице 1.

Опыты проводили для трех каналов различной длины: lдл=0,12м, lср=0,08м, lкор=0,04м. Всего исследовали 9 каналов.

Таблица 1 – Геометрические характеристики каналов Параметр S, м2 0,000540 0,00098 0,Rг, м 0,003750 0,005808 0,А 2,5921 1,8659 1,B 2,2113 1,8514 1,На первом этапе исследования получали графические зависимости массового расхода Q от давления экструзии Р (Q = f (Р)) при указанных температурах для длинного, среднего и короткого каналов. Затем получали экспериментальные зависимости массового расхода Q от перепада давления на единице длины каналов (градиента давления) p/l.

Для теоретического определения пропускной способности и гидравлического сопротивления в формующих каналах сложной формы использовали зависимости, представленные в пункте 3.3 данной главы.

Теоретическое решение по определению зависимости Q = f (p/l) представляли в виде графиков совместно с экспериментальными значениями для каждого исследуемого полимерного материала и сечения канала при выбранных значениях температуры. На рисунке 2 точками показаны экспериментальные значения, а сплошной линией – теоретическое решение.

Полученные зависимости для каждого исследуемого материала до и после его вторичной переработки совмещены в одном графике.

Оценив расхождение между теоретическим решением и экспериментальными значениями, можно сделать следующие выводы:

- для всех исследуемых полимерных материалов наблюдается хорошая корреляция теоретических и экспериментальных значений массового расхода;

- максимальное расхождение между этими значениями получено при малых перепадах давления p/l, лежащих в области очень малых расходов полимера, и составило 25%;

- при больших значениях перепада давления и массового расхода для всех исследуемых материалов расхождение находится в пределах от 0 до 15%, что является допустимым при инженерных расчетах.

Сравнительный анализ результатов исследования гидродинамических характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки позволил установить следующие закономерности.

Так, для сечения канала вида «штапик» расходы для всех исследуемых полимеров находятся в пределах (0 - 120)10-4 кг/с при градиентах давления (0 - 4)107Па/м. Температуры переработки составляли 130, 150, 160, 170С. При сравнении первичных и вторичных полимеров в области малых градиентов давления (0 - 1)107 Па/м наблюдаются наибольшие отклонения по расходам (30 - 60%). При рабочих перепадах давления (1 - 4)107Па/м увеличение массового расхода для вторичных полимеров составило: для ПВД 15802-020 - 20 - 34%, для ПНД-289 - 23 - 38%, для ПНД-277 - 21 - 33% в заданном интервале температур. Максимальное отклонение составило 38% для ПНД 289 при температуре 160°С и градиенте давления 2,2107Па/м.

Минимальное отклонение составило 20% для ПВД 15802-020 при температуре 130°С и градиенте давления 2,4107Па/м.

Для сечения канала вида «плинтус» максимальное отклонение массового расхода наблюдалось при течении расплава ПНД-289 при температуре переработки 150°С, градиенте давления 2,0107 Па/м и составило 43%.

Наименьшее отклонение массового расхода - 14% наблюдалось для градиента давления 2107 Па/м при сравнении вторичного и первичного ПВД (температура переработки 150°С). В зоне рабочих перепадов давления (2 - 6)107 Па/м увеличение массового расхода находилось в пределах 17 - 33% для всех исследуемых полимеров.

Для сечения канала вида «облицовочная планка» в области малых градиентов давления (0 - 2)107 Па/м отклонения по расходам составили: для ПВД 15802-020 - 20 - 30%, для ПНД-289 – 30 - 50%, для ПНД-277 – 20 - 23% в заданном интервале температур. В зоне рабочих перепадов давления (2 - 6)Па/м увеличение массового расхода находилось в пределах 12 - 30% для всех исследуемых полимеров. Наименьшее увеличение массового расхода – 12% наблюдалось при сравнении вторичного и первичного ПВД при температуре переработки 170°С и градиенте давления 6107 Па/м.

Для всех исследуемых материалов в области рабочих температур и градиентов давлений среднее увеличение расхода составило 16,3 – 34%, что необходимо учитывать при их дальнейшей переработке в изделия.

Эксперименты по изучению эффекта разбухания экструдатов первичных и вторичных полимеров при их истечении из формующих каналов сложного поперечного сечения проводились в заданном интервале температур и давлений: ПНД-277- при t = 150 – 170 °С и Р = 0,5 - 6 МПа; ПВД 15802-020 при t = 130 - 170°С и Р = 0,5 - 6 МПа; ПНД-289 при t = 150 – 170°С и Р = 0,5 - МПа. Методика проведения эксперимента была аналогична представленной в пункте 3.1 данной главы.

Из образцов экструдата, полученных при истечении расплавов полимеров (при заданной температуре и давлении) из исследуемых формующих каналов сложной формы, вырезались перпендикулярно оси, пластинки толщиной не более 1 мм. Полученные образцы, представляющие собой поперечные сечения экструдатов, зажимались между двумя стеклами, вставлялись в проекционный аппарат и проектировались на экран из листа миллиметровой бумаги. При десятикратном увеличении изображения среза экструдата на экране обводились его контуры. Площадь сечения измерялась планиметром с точностью до 10-6м2.

Эластическое восстановление струи экструдата оценивалось коэффициентом разбухания, который определяли по следующей формуле:

Sэ К =, (9) S где SЭ и S - соответственно площади поперечного сечения экструдата и формующего канала, м2.

Результаты опытов представлены графическими зависимостями коэффициента разбухания от давления экструзии К = f (р) для исследуемых полимеров до и после их вторичной переработки (рисунок 3).

Сравнительный анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:

- при истечении из каналов сложной формы всех видов исследуемых расплавов полимеров наблюдается резкое увеличение коэффициента разбухания в области низких давлений (0 – 2 МПа). Например, для струи расплава ПВД 15802-020 при течении в канале вида «облицовочная планка» при 170°С в указанном интервале давлений коэффициент разбухания увеличивается до 2,2. При дальнейшем повышении давления величина коэффициента разбухания остается практически постоянной.

- с повышением температуры для всех исследуемых каналов конечное значение коэффициента разбухания несколько возрастает. Для ПВД 15802-в канале «облицовочная планка» с увеличением температуры от 130 до 170°С коэффициент разбухания увеличился на 18,1%; для ПНД-277 при изменении температуры от 150 до 170°С увеличение коэффициента разбухания составило 20,3%; для ПНД-289 в указанном диапазоне температур отмечен рост коэффициента разбухания на 19,4%.

- для всех исследуемых полимеров после вторичной переработки наблюдается снижение высокоэластических свойств, при этом коэффициент разбухания в среднем уменьшается на 8 – 11%.

Результаты исследований свидетельствуют о влиянии геометрии формующего инструмента на разбухание расплавов полимеров. Так, наибольшее значение коэффициента разбухания наблюдается для расплава полимера при течении в канале вида «облицовочная планка» (К = 2,32 для ПВД 15802-020 при температуре 170°С). Это объясняется наличием выступающих углов. В них при напорном течении расплава полимера возникают концентрации напряжений, и при выходе струи полимера они увеличивают поперечное сечение экструдата.

При помощи проведённых экспериментальных исследований и полученных графических зависимостей были установлены оптимальные режимы переработки вторичных полимерных материалов в каналах сложной формы: давление экструзии 4,5- 5 МПа, температура переработки для ПНД-277 - 160°С, для ПВД 15802-020 - 170°С, для ПНД-289 - 160°С.

Глава 4. Исследование прочностных характеристик полимерных материалов до и после вторичной переработки Для исследования изменений прочностных свойств полимерных материалов до и после вторичной переработки проводили испытание экструдатов ПВД 15802-020 (ГОСТ 16337) и ВПВД (полученного измельчением отходов производства рукавной полиэтиленовой пленки), на растяжение при постоянной скорости нагружения. Образцы были получены в каналах сложной формы, при температуре 130, 150, 160, 170 °C. Сечения формующих каналов представлены в таблице 1.

Исследования проводились на разрывной машине типа МР-05-1 за номером 50 ГОСТ 7855 с точностью до 0,1 кгс при скорости нагружения 11 мм/мин, согласно ГОСТ 12580.

Для исключения разрушения образцов в местах воздействия зажимов их выполняли в виде двойных лопаточек, длиной 0,08 м. Разрушающее напряжение при растяжении р, Па, вычисляли по формуле P =, (10) р S S=m / ( l ), (11) где Р - разрушающая нагрузка, H; S - площадь сечения образца до деформации, м2; m - масса образца, кг; - плотность полимерного материала при 20°С, кг/м3; l – длина образца, м.

Результаты проведенных исследований прочностных характеристик полимеров представлены в виде зависимостей р = f(Pэ) (где Pэ – давление экструзии, Па), что позволяет нанести на один и тот же график данные, полученные от образцов разных материалов, и произвести сравнительный анализ (рисунок 4).

Полученные экспериментальные данные показали, что зависимость разрывного напряжения экструдатов ПВД и ВПВД от давления экструзии имеет оптимум в интервале от 4,5 до 5,5 МПа. При дальнейшем увеличении давления экструзии прочность образцов уменьшается. Это связано с высокой скоростью выхода экструдата. При увеличении температуры переработки от 130 до 170°С для всех исследуемых сечений прочность экструдатов увеличивается на 5 – 7%.

Сравнительный анализ результатов исследований для ПВД и ВПВД показывает, что прочность образцов из ПВД после вторичной переработки в рабочем диапазоне давлений экструзии понижается на 10 – 20%.

Указанное снижение прочности объясняется тем, что уровень равновесных напряжений во вторичном полимере ниже, чем в первичном. Поэтому изготовленные из него изделия необходимо эксплуатировать при более низких нагрузках, чем такие же изделия из первичного полимера, и в течение более короткого времени. Это необходимо учитывать при разработке номенклатуры изделий, изготавливаемых из вторичных термопластов. Снижение прочностных характеристик является допустимым для рабочих режимов эксплуатации изделий.

Таким образом, установлено, что механические свойства полимеров после вторичной переработки изменяются в пределах допустимых для их дальнейшей переработки в изделия методом экструзии и литья под давлением при тех же режимах, что и для первичных. При этом решается проблема утилизации отходов и рационального использования сырьевых ресурсов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1 Разработан метод расчёта основных технологических параметров процесса измельчения в установке для переработки полимерных отходов, рассматривающий влияние геометрических и кинематических параметров режущих органов на величину усилия резания, необходимого для разрушения структурных связей полимера с учётом его высокоэластических свойств.

2 Разработан новый процесс измельчения с применением установки для переработки «мягких» полимерных отходов (по патенту РФ № 2116196).

3 Получены математические зависимости для определения производительности G и мощности установки N для переработки "мягких" полимерных отходов:

G = b h zн n z, U m K К v exp з н (m R T) (h + b) z z.

N = 2 4 Проведены экспериментальные исследования реологических свойств первичных и вторичных полимеров с целью проведения сравнительного анализа реологических характеристик. Полученные результаты указывают на повышение эффективной текучести всех полимерных материалов после вторичной переработки, которое составило 10-12%.

5 Исследование гидродинамических характеристик первичного и вторичного полимеров при истечении из формующих каналов со сложным поперечным сечением показало, что для всех исследуемых материалов в области рабочих температур и градиентов давлений среднее увеличение расхода составило 16,3 – 34%, что необходимо учитывать при их дальнейшей переработке.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»