СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ДЯДИЧЕВ ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИСЛАВОВИЧ

УДК 628.4.04-405

СОЕКСТРУЗІЙНА ОБРОБКА ВТОРИННИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ (ТЕОРІЯ, ТЕХНОЛОГІЯ, ОБЛАДНАННЯ)

Спеціальність 05.03.05 – процеси і машини обробки тиском

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Луганськ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Смирний Михайло Федорович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, перший проректор, завідуючий кафедрою екології.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідуюча кафедрою прикладного матеріалознавства;

доктор технічних наук, доцент Сивак Іван Онуфрійович, Вінницький державний технічний університет, завідуючий кафедрою технології і автоматизації машинобудування;

доктор технічних наук, с.н.с. Пєтухов Аркадій Демянович, ВАТ “УкрНДІпластмаш”, директор випробувального центру.

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет, кафедра обробки металів тиском, Міністерство освіти і науки України (м. Донецьк).

Захист відбудеться 06.11.2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д .051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20А.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20А.

Автореферат розіслано 02.10.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

Вченої ради Д 29.051.02

кандидат технічних наук, доцент Гутько Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом усе більшого значення у світі набувають проблеми забруднення навколишнього середовища. Це, в першу чергу, стосується утилізації відходів. Найруйнівнішими з екологічної точки зору є полімерні відходи. Пластмаси мають дуже великий період розкладання, при їх розкладанні чи спалюванні виділяються шкідливі речовини. Однак полімери – найперспективніші матеріали для виробництва різних виробів. Полімерні матеріали легко піддаються обробці, відносно дешеві, їм можна надати будь-якої форми і кольору. Тому виробництво пластмас у світі з кожним роком зростає.

Раніше утилізація полімерних матеріалів здійснювалася за допомогою спалювання і поховання, що негативно позначалося на стані навколишнього середовища. Вторинна переробка полімерів вважалася економічно невигідною. Однак, дійсність змушує переглянути цю точку зору.

На жаль, існуючі методи переробки вторинних полімерів у напрямку збільшення їхньої продуктивності наштовхуються на істотні труднощі, пов'язані, зокрема, із багатостадійністю процесу і неможливістю оперативно контролювати якість готового виробу. У зв'язку з цим процеси гранулювання, агломерування і екструзії як технологічні процеси не задовольняють зростаючим вимогам до продуктивності процесів переробки вторинних полімерів і якості продукції з них. Новим кроком у вирішенні згаданих вище проблем може стати використання методу соекструзії.

Результати відомих досліджень у галузі вторинної переробки полімерів свідчать про високу економічну ефективність цих методів. Виходячи з цього, створення технології й обладнання для переробки відходів різнорідних полімерних матеріалів методом соекструзії з метою виробництва нових виробів, що забезпечить зниження рівня забруднення оточуючого середовища, ресурсо- й енергозбереження, є актуальною науково-технічною проблемою, що особливо гостро стоїть в умовах становлення ринкових відносин в Україні, коли приватна ініціатива і закордонні інвестиції спрямовані на створення високоефективних і енергозберігаючих виробництв.

Разом з тим, рішення цієї складної проблеми неможливо без проведення комплексу теоретичних досліджень, математичного опису і комп'ютерного моделювання соекструзійних процесів і пристроїв різного технологічного призначення, що є головним завданням цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до комплексної науково - технічної програми "Створити й освоїти у виробництві комплекси технологічного обладнання, засоби автоматизації з використанням ресурсооберегаючих технологій" у рамках вирішення проблеми “Про впровадження системи збору, сортування, транспортування, переробки й утилізації відходів як вторинної сировини” відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 26 липня 2001 р. N 915, з “Основними напрямками економічного і соціального розвитку України”, закону України про відходи від 1998 року. З 1995 року робота виконувалася в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (реєс. № U002397, 0196U023021, 0197U008350, 0100U006296, 0102U002222).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка теорії процесів, технології й обладнання переробки відходів полімерних матеріалів методом соекструзії з виготовленням корисних виробів, що забезпечить можливість виробництва нової продукції, зниження рівня забруднення навколишнього середовища, ресурсо- й енергозбереження.

Для досягнення цієї мети в дисертації ставляться і вирішуються наступні завдання:

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Об’єкт дослідження. Соекструзійне обладнання.

Предмет дослідження. Робочі процеси обробки тиском вторинних полімерних матеріалів в екструдері середнього шару і соекструзійної головки, та їх вплив на з’єднання шарів при спільної екструзії.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані з використанням законів термодинаміки, математичної статистики і сучасних аналітичних та чисельних методів вирішення систем диференціальних рівнянь з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження виконані на основі сучасної техніки, постановки експерименту з використанням обладнання, що випускається серійно промисловістю, апаратури і пристроїв, які пройшли державну метрологічну перевірку у встановленому порядку. Кількісну оцінку експериментальних даних виконано методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

· запропоновано нову технологічну схему для переробки під тиском різнорідних вторинних полімерних матеріалів на основі методу соекструзії, що дозволяє забезпечити якісне адгезійне з'єднання суміші полімерів у середньому шарі і всій шаруватій структурі в цілому з виготовленням якісних п’ятишарових виробів різного функціонального призначення;

· уперше для установлення взаємозв'язку технологічних параметрів процесу, реологічної характеристики матеріалу і геометричних розмірів шнека та соекструзійної головки розроблено математичну модель і методи розрахунку створення тиску екструдером середнього шару при соекструзії багатошарової структури на основі рівняння енергетичного балансу з урахуванням продуктивності кожного шару, що дозволяє установити залежність між тиском у ведучому екструдері і продуктивністю всього процесу;

· уперше розроблено метод виміру тиску в соекструзійному обладнанні, що дозволяє забезпечити підтримку точних технологічних параметрів процесу соекструзії на основі використання диференціального датчика тиску або ферозондового перетворювача, які вимірюють тиск за ступенем деформації шийки екструдера;

· уперше розроблено критерії оцінки якості багатошарової структури й еталонна модель суміші, що забезпечують необхідну однорідність суміші шляхом коректування витрат основного в'язкого компонента (первинного полімеру) при зміні витрат інших компонентів;

· уперше встановлено аналітичні залежності між складом і характеристиками суміші для найбільш розповсюджених складів і видів багатошарової структури, що показують зв'язок між масовими витратами компонентів, міцністю і граничною напругою зрушення суміші, розроблено новий метод і отримано аналітичні залежності, які дозволяють здійснювати коректування завдань на витрати компонентів на основі обліку наявності наповнювача у вторинному матеріалі і додаткових порціях;

· уперше розроблено математичну модель технологічного процесу для соекструзії відходів полімерних матеріалів і приготування багатошарової структури, що відрізняється від існуючих тим, що враховує параметри еталонної моделі суміші і транспортне запізнювання надходження компонентів до екструдеру;

· уперше розроблено модель розрахунку перепаду тиску в підвідних каналах соекструзійних головок на основі розбивки шаруватої структури на точкові мікросегменти, що дозволяє аналізувати розподіл тиску в каналах головки і виявляти характерні конструктивні недоліки соекструзійного обладнання, технологічного процесу і шляхи їх усунення;

· розроблено нові алгоритмічну і технічну структури системи автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші на основі мікропроцесорного блоку і персонального комп'ютера, що забезпечує реалізацію запропонованої математичної моделі і керування технологічним процесом у реальному масштабі часу;

· уперше розроблено математичну модель процесу об'ємної течії п’ятишарової полімерної структури при спільній екструзії, що дозволяє оптимізувати параметри течії на міжфазній границі, регулювати міцність з'єднання шарів у багатошарової полімерної структури (БПС) і адгезію суміші в середньому шарі;

· розроблено нову конструкцію багатосекційного шнека для екструдера, переробляючого суміші відходів полімерних матеріалів, сполучаючого принципи змішування і деформування розплаву полімерів, що відповідає сучасним конструктивним вимогам до оптимізації процесу соекструзії.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

1. У використанні технології переробки різнорідних вторинних полімерних матеріалів на основі методу соекструзії.

2. У використанні розроблених методу розрахунку і математичної моделі робочого процесу в екструдері середнього шару при соекструзії багатошарової структури й отриманих результатів для створення нових конструкцій і схем технологічного процесу з метою підвищення якості соекструзії вторинних полімерів.

3. У можливості використання розроблених математичних моделей суміші, технологічного процесу її приготування, конструкцій багатосекційних черв'яків екструзійного обладнання для забезпечення його надійної роботи і якісного виготовлення нових виробів.

4. У можливості використання моделі процесу спільної екструзії полімерних матеріалів для розробки раціональних конструкцій обладнання з утилізації полімерних матеріалів.

5. На підставі теоретичних досліджень запропоновано алгоритми функціонування екструзійного обладнання і системи автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші, що забезпечують вирішення завдання виготовлення якісного виробу при рециклінгу полімерів відповідно до поставленого критерію якості.

6. Теоретично й експериментально доведено можливість вирішення завдання керування процесом приготування соекструзійної суміші за допомогою моделі цього процесу, побудованої на базі еталонної моделі.

Результати роботи реалізовані в промисловості у вигляді:

1. Технологічного процесу соекструзійної переробки суміші вторинних полімерних матеріалів з виготовленням нових якісних виробів, упровадженого на ВАТ “Виробниче об'єднання “Склопластик” (м. Северодонецьк).

2. Робочої документації на соекструзійне обладнання, виконаної разом із НВО "Інфотрон", і багатосекційний черв'ячний шнек для екструдера середнього шару в соекструзійному обладнанні для виготовлення багатошарових виробів, упровадженого на ПП “Універсал”.

3. Спеціалізованого системного і прикладного програмного забезпечення для моделювання процесу спільної екструзії в соекструзійних головках, упровадженого на МПП “Сонечко”.

4. Експериментального зразка мікропроцесорної системи автоматизованого керування комплексом з переробки відходів полімерних матеріалів "САУ СК" і пакета програмного забезпечення для нього, що реалізує методи і моделі підвищення якості соекструзії багатошарового виробу, упровадженого на ПП “Універсал” і заводі побутової хімії “ДОННА”.

5. Методики коректування витрат компонентів суміші з відходів полімерних матеріалів з урахуванням змісту в них наповнювача, упровадженої на МПП “Сонечко” і ПП “Універсал” (м. Луганськ).

6. Методу визначення тиску в екструдері, експериментального зразка екструзійного капілярного віскозиметра з вимірювальним модулем ІМ-1 і диференційним датчиком тиску для визначення напруги зрушення і в'язкості розплавів полімерів для різних складів полімерних сумішей за спеціально розробленою методикою, упроваджених на ТОВ Науково-виробнича фірма “Биолайт” (м. Луганськ).

7. Результати роботи використовуються на кафедрі “Автоматика і системи управління” СНУ ім. В.Даля в розділах навчальних курсів “Типові технологічні процеси й об'єкти виробництв”, “Автоматизація безперервних і дискретних технологічних процесів”, “Науково-дослідна робота студентів”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень самостійно отримані автором. У результаті досліджень, опублікованих у співавторстві, здобувачем розроблено методику, розрахункову схему для проектування соекструзійного обладнання, алгоритмічну структуру і вимоги до параметрів моделювання, істотні відмітні ознаки технологічних систем з їх обґрунтуванням; розроблено структурну схему роботи вологоміру сипучих полімерних матеріалів; дано теоретичне обґрунтування можливості підвищення несучої здатності елементів обладнання під тиском; розроблено схему функціонування соекструзійного обладнання для течії різнорідних полімерів і фізична модель течії полімерів у соекструзійної головці. Автор брав особисту участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів методами математичної статистики. Упровадження результатів дисертації в промисловість здійснювалося при особистій участі здобувача.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на: науково-технічній конференції “Лазерні і фізико-технічні методи обробки матеріалів”, м. Ялта, 1995р.; науково-технічній конференції “Оснащення-95”, м. Київ, 1995р.; науково-технічній конференції “Виробництво і ремонт механізмів і машин в умовах конверсії”, м. Ялта, 1995р.; науково-технічній конференції “Синтетичні смоли і пластмаси. Технологія виробництва і застосування в галузях промисловості”, м. Київ, 1995р.; науково-технічній конференції “Організація і технологія ремонтів механізмів машинного оснащення”, м. Ялта, 1996р.; науково-технічній конференції “Технологія й обладнання для переробки полімерних матеріалів”, м. Славское, 1996р.; міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології ресурсо- і енергозбереження”, м. Партенид, 1997р.; міжнародній науково-практичній конференції “Сучасна контрольно-випробувальна техніка промислових виробів і їхня сертифікація”, м. Мукачеве, 1997р.; міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні й енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини SIET 2-98, м. Кам'янець-Подільський, 1998р.; міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні й енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини SIET 5-99, м. Миколаїв, 1999р.; міжнародній науково-практичній конференції SIET 8-2000, м. Чернігів, 2000р.; міжнародній науково-практичній конференції SIET 9-01, м. Чернівці, 2001р.; міжнародній науково-практичній конференції RESALE – 2002, м. Нюрнберг (Німеччина), 2002р.; міжнародній науково-практичній конференції INTERPACK 2002, м. Дюссельдорф (Німеччина), 2002р.; міжнародній науково-практичній конференції СІЕТ 13-03, м. Дніпропетровськ, 2003р.; міжнародній науково-практичній конференції “Університет і регіони”, м. Луганськ, 2003р..

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 3-х монографіях, 2-х брошурах, 14 статтях наукових журналів, 6 статтях у збірниках наукових праць, 19 статтях у збірниках виданих за матеріалами національних і міжнародних конференцій, захищені 1-м патентом України, усього 45 наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, шести розділів, висновків по розділах, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Дисертація містить 361 сторінку машинописного тексту, з них 24 таблиці на 9 сторінках, 82 ілюстрації на 26 сторінках, список використаних літературних джерел з 212 найменувань на 18 сторінках та три додатка на 39 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність розглянутої проблеми, формулюються мета і завдання дисертаційної роботи, її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі представлено аналітичний огляд використання полімерних матеріалів у світі, розглянуто особливості процесів переробки полімерних відходів, зроблено аналіз існуючих технологічних схем переробки відходів і конструкцій екструзійного обладнання, проведено оцінку технологічного процесу соекструзії для приготування багатокомпонентної структури з відходів полімерів і сучасних методів розрахунку соекструзійного обладнання.

Відходи пластмас, особливо композиційних, перетворилися в серйозне джерело забруднення навколишнього середовища (рис. 1), і більшість країн, у тому числі Україна і країни Західної Європи, різко інтенсифікували роботи зі створення ефективних процесів їх утилізації і знешкодження. В умовах, коли сировинні нафтохімічні проблеми і проблеми енергетики дуже гостро стоять у багатьох країнах світу, певний внесок у рішення цих питань може внести застосування раціональних способів утилізації й обробки пластмасових відходів.

Рис. 1. Діаграма розподілу відходів пластмас за джерелами утворення

Аналіз технологій для переробки відходів полімерних матеріалів у країнах СНД і за рубежем показує, що в даний час для перетворення відходів полімерів у сировину, придатну для наступної переробки у вироби, здійснюється в два етапи: попередня обробка з агломерацією і грануляцією, і переробка гранул вторинної сировини в готовий вироб. Для переробки відходів термопластів багато закордонних фірм випускають спеціалізоване обладнання.

Застосування соекструзії дозволяє виключити багато технологічних операцій, необхідних для виготовлення виробів з відходів полімерних матеріалів. Це агломерація і грануляція, що вимагають великих витрат енергії і є єдиним способом виготовлення багатошарової полімерної структури, при використанні якого виходить готовий вироб з відходів полімерів без проміжних напівфабрикатів.

Економічним і екологічним аспектам проблеми утилізації полімерних матеріалів приділяли увагу багато вітчизняних і закордонних фахівців, у тому числі В.Е.Ґуль, В.С.Кім, Г.А.Бистров, Є.М.Макушин, Б.П.Штарилян, А.В.Козак, й ін. Однак питанням доцільного вибору способів утилізації полімерних матеріалів присвячено мало робіт.

Питаннями переробки полімерних матеріалів, моделювання і дослідження конструкцій відповідного обладнання займалися Е.Бернхард, П.А.Швецов, Д.Біаро, Д.Ф.Каган, Р.В.Торнер, Є.М.Брежинський, M.A.Spalding, P.Elemans, J.Pape, R.T.Steller, S.J.Rauwendaal, З.Тадмор, В.Г.Барсуков і ін.

Слід зазначити, що в роботах не знайшов відображення такий показник, як залежність тиску формовання окремого шару від продуктивності всього процесу, мінімальний час перебування розплаву в екструдерах і головці, відсутності застійних зон, шляху регулювання рівномірності розподілу шару в головці і швидкості руху матеріалу при виготовленні шаруватих матеріалів.

Аналіз існуючих методик розрахунку екструзійного обладнання показує, що вони не дозволяють досліджувати у комплексі вплив технологічних параметрів усіх екструдерів, що беруть участь у соекструзії, на плин у формуючих каналах соекструзійної голівки і на продуктивність процесу в цілому. Сучасні конструкції шнеків, використовувані в соекструзійному обладнанні, не забезпечують рівномірного змішування різнорідних матеріалів при одночасному створенні необхідного тиску формовання, що максимально забезпечувало б якість шаруватого матеріалу.

Відповідно до побудованого логічного ланцюжка причинно-наслідкових зв'язків технологічних факторів, впливаючих на досягнення головної технологічної мети, встановлено, що якість готового виробу може визначатися трьома факторами: сумісністю полімерів для соекструзії, режимом екструзії, що забезпечує рівномірний розплав суміші і якісне її змішання й адгезію, режимом соекструзії, що забезпечує рівномірність розподілу шару матеріалу в головці й одержання якісного адгезійного з'єднання багатошарової структури.

У свою чергу, однорідність суміші для багатошарової полімерної структури залежить від забезпечення необхідного тиску для змішування полімерного матеріалу у екструдерах і якісного виконання операцій дозування компонентів.

Адгезійна міцність якісного виробу залежить від однорідності суміші з відходів полімерів, а також від складу інертного й активного наповнювачів, режиму течії матеріалів у головці і технологічних параметрах соекструзії.

З аналізу функціональної схеми процесу обробки тиском вторинних полімерних матеріалів видно, що технологічний процес приготування багатошарової полімерної структури впливає на рішення завдань інших комплексів і на результат робіт у цілому. Тобто від того, наскільки повно буде досягнута технологічна мета цим процесом, залежить якість виготовлення готового виробу. Тому для рішення завдань цього комплексу необхідна розробка технічних рішень конструкцій обладнання, що забезпечують їх ефективне функціонування, удосконалення методів і засобів змішання компонентів, розробка науково обґрунтованих принципів і методів автоматизованого керування технологічним процесом готування БПС, враховуючих особливості складу і властивостей компонентів.

Другий розділ присвячено теоретичним основам і методам розрахунку робочого процесу переробки полімерних матеріалів у екструдерах при соекструзії багатошарових структур.

У процесах виробництва і переробки відходів композиційних матеріалів з метою виготовлення нових якісних виробів використовуються різні типи компонентів, що знаходяться в різних фізичних станах. Фізичні стани полімерної структури (тверда фаза, розплав чи розчин) і наповнювача (тверді тіла, рідини чи газ) визначають вибір типу обладнання і тієї ділянки в ньому, де відбувається їхнє сполучення. Практично усі відомі полімери і їхні композиції переробляються методом екструзії. Одержувані вироби дуже різноманітні і включають плівки, аркуші, труби, профільні вироби, оболонки на кабельні вироби і т.д. Для дослідження процесу плавлення і пластикації відходів різнорідних полімерних матеріалів використовувалася суміш з відходів полімерних матеріалів, що складається з вторинних полімерних матеріалів виробничого призначення, первинного полімеру, наповнених побутових відходів і адгезійного наповнювача.

Для переробки вторинних різнорідних полімерів розроблено технологічний процес (рис. 2) створення п’ятишарової структури, у середньому шарі якої знаходиться складна суміш, що складається з первинного полімеру, наповнювача, відходів, які вже мають у своєму складі наповнювач і вторинні полімери без нього. Соекструзійним методом створюються вироби різного функціонального призначення з необхідною якістю.

За основу робочого процесу в екструдері середнього шару покладено закон збереження енергії в ньому, що для багатошарової структури прийме вигляд:

(1)

Рис. 2. Узагальнена технологічна схема процесу виготовлення багатошарової полімерної структури з відходів полімерів

де Zcp - сумарна потужність, що витрачається на екструзію полімеру в екструдері середнього шару;

V - питомий обсяг полімеру ( );

ДPcp - різниця між тиском у головці і тиском на вході до екструдеру середнього шару;

- сумарна теплота плавлення полімерів, а , … - теплота плавлення кожного полімеру відповідно, що входить до суміші;

Qcp - витрата полімеру екструдера середнього шару на виході з головки;

сcp - усереднена щільність полімеру;

Ccp - усереднена теплоємність полімеру в головці.

Продуктивність соекструзійної машини визначається сумою продуктивністей кожного шару, тому маємо:

(2)

де Qсум - продуктивність соекструзійної машини;

Qн1, Qн2 - продуктивність першого і другого зовнішнього шару відповідно;

Qв1, Qв2 - продуктивність першого і другого внутрішнього шару відповідно.

Фактична продуктивність соекструзійної машини визначається взаємним впливом характеристики черв'яка і головки. Величина витрати через соекструзійну головку для кожного шару описується рівнянням:

(3)

де i- шар полімеру в головці;

ki - постійний коефіцієнт, що залежить від геометричних розмірів головки для відповідного шару;

ДPi - перепад тиску в головці для відповідного шару;

- в'язкість полімеру в головці для відповідного шару.

Після підстановки в рівняння (2) рівнянь (1) і (3), та відповідних перетворень одержуємо:

(4)

З рівняння (4) випливає: характеристику черв'яка середнього шару можна виразити через продуктивність усієї соекструзійної машини, що залежить від характеристик інших екструдерів.

У свою чергу, математичний опис роботи екструдера (рис. ) отримано спільним рішенням рівнянь, що виражають закони збереження маси, енергії і кількості руху при течії полімеру, з рівняннями, описуючими фізичний стан розплаву.

Рис. 3. Розрахункова схема екструдера

Досліджуючи в такий спосіб екструдер, отримано співвідношення, що показує взаємозв'язок геометричних параметрів шнека, режимів екструзії і реологічних характеристик перероблюваного матеріалу:

(5)

де L - довжина конічної частини черв'яка;

l - координата уздовж осі екструдера (поточна довжина).

Дане рівняння визначає, який протитиск у головці здатний перебороти екструдер, розвиваючи задану продуктивність Q при даній швидкості обертання шнека і температурі T.

Знаючи залежність глибини каналу h від довжини черв'яка l, застосувавши інтегрування і визначивши для досліджуваного екструдера константи геометрії, одержимо протитиск, подоланий екструдером:

(6)

де N - частота обертання шнека екструдера;

Q - продуктивність екструдера;

n - обумовлений індекс плину;

m0 - константа в'язкості, що розраховується;

T - температура переробки.

Дане співвідношення дозволяє розрахувати технологічні параметри процесу екструзії кожного з полімерів і разом з аналізом течії полімерів через соекструзійну голівку розробити повну модель досліджуваної установки.

Для виміру тиску в екструзійних установках і підтримки точних технологічних параметрів при екструзії вторинних полімерів розроблено ефективний метод виміру тиску (до 200 МПа) при підвищеній температурі (до 300 град. С) (рис. 4). Це є непрямим методом виміру тиску за ступенем деформації конструкційного елемента установки, зокрема, її патрубка, що зв'язана з величиною тиску в екструдері.

Рис. 4. Пристрій для виміру тиску

1 - екструдер; 2 - патрубок; 3 - соекструзивна головка; 4 - електромагніт;

5 - ферозонд

Розроблено принцип виміру тиску, що полягає в наступному: після нанесення на феромагнітний патрубок магнітної мітки за допомогою приставного електромагніта ферозондовим перетворювачем, розміщеним поблизу поверхні патрубка, виміряється горизонтальна складова напруженості магнітного поля, що прямо пропорційна величині прогину стінки патрубка.

Третій розділ присвячений розробці і дослідженню еталонних математичних моделей для оцінки якості суміші середнього шару багатошарової структури з відходів полімерних матеріалів.

При проектуванні конструкцій машин для утилізації відходів полімерних матеріалів з виготовленням багатошарової полімерної структури як основний показник якості створюваного багатошарового виробу використовується адгезійна міцність шаруватого матеріалу і нормативна міцність середнього шару соекструзійного виробу, що формується з відходів полімерних матеріалів і має найбільшу з усіх шарів товщину. Нормативна міцність являє собою величину тимчасового опору при одноосьовому розтяганні зразків суміші середнього шару.

По здатності технології підтримувати параметри реальної багатошарової структури максимально близькими до заданих, установлених на еталонній моделі, можна оцінювати її якість.

Технологія розробки рецепта соекструзійного виробу передбачає одержання необхідних характеристик суміші з відходів полімерів і соекструзійного виробу при мінімальній витраті первинного полімеру. Якщо при розробці еталонних моделей суміші як базові значення компонентів використовувати дані рецепта суміші для багатошарової структури, то отримані регресійні залежності також відповідатимуть мінімальній витраті первинного полімеру.

Таким чином, відповідно до прийнятого критерію основне рівняння еталонної моделі суміші для багатошарової структури повинно відбивати залежність необхідної витрати первинного полімеру mпп від складу інших компонентів (наповнених відходів mно, суміші вторинного полімеру mвп, наповнювача mн) з метою забезпечення однорідності суміші для встановленої нормативної міцності суміші для соекструзійного виробу RN:

(7)

Як обмеження моделі суміші логічно використовувати мінімально припустиму міцність Rдоп суміші для соекструзії й одну з реологічних характеристик суміші - гранична напруга зрушення .

Необхідну об'ємну масу первинного полімеру, міцність виробу R і граничну напругу зрушення можна представити як функції декількох перемінних zi:

(8)

(9)

(10)

Якщо використовувати як функцію мети визначення об'ємної маси первинного полімеру , необхідної для приготування суміші з відходів полімерів із граничною напругою зрушення і формування соекструзійного виробу міцністю R в залежності від фактичних значень мас інших компонентів, гранулометричного складу і питомої поверхні наповнювача, то як обмеження варто використовувати умови забезпечення нормативної міцності соекструзії R>Rдоп і граничної напруги зрушення суміші . Отже, можлива побудова моделі суміші виду:

(11)

(12)

(13)

При існуючій практиці підготовки суміші з відходів полімерів об'ємні витрати компонентів установлюються відповідно до рецептів, що рекомендуються для одержання суміші (багатошарового виробу) необхідної міцності (15,5 МПа; 21,5 МПа; 33,0 МПа; 55,0 МПа) відповідно до товщини шару і використовуваних вторинних полімерів. Тому розробка еталонних математичних моделей суміші здійснювалася для цих же фіксованих значень нормативної міцності соекструзії. Еталонні математичні моделі суміші з відходів полімерів розроблено для найбільш часто використовуваних типів суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів, відходи з наповнювачем + первинний полімер + суміш вторинних відходів.

Для визначення рівнянь моделі суміші: відходи з наповнювачем + первинний полімер + суміш вторинних відходів, коефіцієнти яких приблизно відтворюють властивості дійсно існуючої в об'єкті залежності в околі деякого сполучення аргументів (факторів) , , , називаних базовими, використано статистичний метод планування експерименту (метод повного факторного експерименту).

Тоді загальний вид рівнянь регресії для розроблювальної моделі суміші має вигляд:

(14)

(15)

,(16)

де aij - коефіцієнти рівнянь регресії (i=0,1,…n ; j=nn,R,ф0);

xi - фактори, що впливають на функцію відгуку;

n - число факторів.

Модель суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів відрізняється від суміші: відходи з наповнювачем + первинний полімер + суміш вторинних відходів значеннями коефіцієнтів рівнянь aij і відсутністю фактора, що відповідає компоненту наповнені відходи.

Таким чином, факторний експеримент полягає в тому, що задаються різні значення компонентів суміші і за розробленими методиками визначаються її граничні напруги зрушення ?0 і міцність R зразків екструзії.

Розроблено метод коректування витрат компонентів суміші з урахуванням вмісту в них наповнювача. Якщо витрати ненаповнених компонентів задані базовими значеннями , , , а наявність наповнювача в компонентах визначено значеннями коефіцієнтів наповненості , , , то для забезпечення необхідної величини витрат ненаповнених компонентів (базову), засоби дозування повинні збільшити настроювання на величину наповнювача, що міститься в реальному матеріалі

(17)

де i = но (наповненні відходи), вп (вторинні полімерні відходи), пп. (первинний полімер).

Тоді фактично значення компонентів суміші, що дозується, з урахуванням змісту наповнювача в матеріалах повинне бути на рівні:

(18)

У той же час фактична витрата наповнювача визначиться:

(19)

де i = но, вп, пп.

Разом з тим, добавка mді сипучого компонента, обчислена за вираженням (17), у свою чергу, містить наповнювач, який повинен бути обчислений:

(20)

і врахований у добавці:

(21)

де к - крок коректування вмісту наповнювача в добавках до витрат компонента, к = 1,2,.., l. Отримані по завершенню ітераційних процесів значення mді враховуються при формуванні завдань на витрати сипучих компонентів і наповнювача на 1 м3 суміші:

(22)

(23)

де i = но, вп, пп.

Для оцінки ефективності пропонованого методу корекції витрати компонентів суміші й одержання кількісних оцінок розроблено імітаційну модель для розрахунку на комп’ютері фактичної міцності виробу Rф і відносного відхилення ?R від нормативної міцності (відповідно до рівнянь моделі суміші), обумовлених змістом наповнювача в компонентах суміші.

Результати моделювання для суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів 55,0 МПа наступні: при відсутності будь-яких дій, що враховують вміст наповнювача компонентів, відхилення міцності багатошарового виробу може досягати 28,5 %. Збільшення витрат вторинних відходів у рецепті на величину частки наповнювача в суміші вторинних відходів з одночасним зниженням витрат наповнювача дозволяє знизити відхилення ?R до 5,6 %. Застосування пропонованого методу корекції витрат компонентів з обліком наповнювача в добавках уже на першому кроці дає зменшення ?R до 1,16 % і ліквідує помилку для реальних значень вмісту наповнювача в матеріалі за 3-4 кроки ітерації.

Четвертий розділ присвячений розробці і дослідженню узагальненої математичної моделі і системи автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші з відходів полімерних матеріалів, що надходить до екструдера середнього шару. Від того, наскільки однорідною вийде суміш у середньому шарі, залежатиме якість готового багатошарового виробу.

Створення математичної моделі процесу виробництва соекструзійної суміші на основі її еталонної моделі дозволяє обмежитися математичним описом тільки засобів дозування і перемішування, представивши інші об'єкти як транспортні ланки з запізнюванням. Якщо до отриманої моделі надалі додати моделі екструзії з транспортуванням і соекструзії, то з'явиться можливість рішення завдання побудови і дослідження моделі процесу одержання багатошарового виробу.

Існуючі технології приготування суміші з відходів полімерів складаються з окремих технологічних ліній підготовки компонентів, що з'єднуються на екструдері. Вагодозуючий засіб для кожної лінії у загальному вигляді, представляється ланкою, утвореною бункером і дозатором, що для сипучих матеріалів характеризується наступними параметрами:

- вагова продуктивність подачі матеріалу в бункер Q1, кг/год.;

- матеріальний запас бункера Мб, кг;

- витрата матеріалу з бункера Q2, кг/год.;

- швидкість руху стрічки дозатора (матеріалу), м/с і довжина транспортера , м;

- матеріальний запас на стрічці дозатора M, кг;

- витрата матеріалу на виході дозатора Q3, кг/год.

Скориставшись рівнянням матеріального балансу бункера і конвейєрної лінії дозатора, одержимо:

(24)

де - постійна транспортного запізнювання.

Фактична витрата матеріалу на виході кожного дозатора визначається завданням і швидкістю зміни матеріального потоку на вимірювальному конвейєрі дозатора dM/dt. Використовуючи результати математичного опису процесу вагового дозування компонентів, рівняння регресії моделі суміші, одержимо загальний вигляд математичної моделі приготування суміші. Уявивши всі елементи технологічного ланцюжка від дозатора до екструдера як ланки з транспортним запізнюванням і приймаючи за t момент часу на вході екструдера, одержимо рівняння моделі:

(25)

(26)

(27)

де - вектор запізнювань переміщення компонентів;

, , , - реальні витрати компонентів на виході дозуючих пристроїв, приведені до входу екструдера;

- завдання на витрату первинного полімеру, кг/годину;

, , - завдання на витрату вторинного полімеру, наповнювача і наповнених відходів відповідно, кг/годину;

, , - коефіцієнти рівнянь регресії, отримані в розділі 3 для сумішей різної нормативної міцності.

У праву частину рівнянь (25) – (27) моделі підставляються реальні значення витрат компонентів суміші, на підставі яких обчислюється завдання на витрати первинного полімеру , що забезпечує при його реалізації необхідні характеристики і якість суміші, розраховуються реальні значення нормативної міцності R і граничної напруги зрушення

Розроблена модель процесу приготування суміші (25) – (27) дозволяє здійснювати оперативний контроль за витратою компонентів суміші, визначати і коректувати витрату найбільш дорогого в'язкого компонента з метою забезпечення необхідної якості суміші.

Для практичної реалізації моделі (25) – (27) необхідні конкретні значення постійних запізнювання . Тому й запропонована методологія визначення значень масиву , що враховує реальні параметри технологічного обладнання соекструзійних комплексів.

Виконані в попередніх розділах дослідження дозволяють розробити схему автоматизованої системи керування процесом приготування соекструзійної суміші, реалізуючої режим керування "робота з моделі". Відмінною рисою даної схеми є облік транспортних запізнювань надходження компонентів до екструдера () і використання в системі програмного блоку обробки і керування БОК. В останньому реалізована математична модель процесу приготування суміші, що дозволяє здійснити дворівневе зв'язане дозування компонентів за принципом основний дозатор (компонент) - "відомий", а інші - "ведучі".

Для оцінки ефективності пропонованого методу автоматизованого керування процесом приготування соекструзійної суміші розроблено імітаційну модель для суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів і суміші: наповнені відходи + первинний полімер + суміш вторинних відходів міцністю 55,0 МПа при продуктивності комплексу Qк = 50 кг/год.

Аналізуючи отримані нормальні розподіли можна стверджувати, що використання в АСУ ТП приготування суміші режиму "робота з моделі" дозволяє зменшити середнє квадратичне відхилення міцності R соекструзійного виробу, приблизно у 5 разів для суміші: первинний полімер + суміш вторинних відходів (ПП+ВП - суміші) і в 11,86 рази для суміші: наповнені відходи + первинний полімер + суміш вторинних відходів (НО+ПП+ВП - суміші). При відпрацюванні завдань витрати вторинного полімеру з точністю 10%, наповнювача - 2%, наповнених відходів - 5%, первинного полімеру - 1% відхилення фактичної міцності багатошарового виробу від нормативної при використанні пропонованих моделей не будуть перевищувати 1,34% (для ПП+ВП - суміші 55,0 МПа) і 0,57% (для НО+ПП+ВП - суміші 55,0 МПа), у той час, як відповідні величини при спробі стабілізувати витрати компонентів складуть 6,52% і 6,76%. Ці цифри свідчать про ефективність і доцільність практичної реалізації пропонованого методу керування якістю приготування соекструзійної суміші.

П'ятий розділ присвячений підвищенню адгезійної міцності з'єднання шарів у багатошаровій полімерній соекструзійній структурі.

Плин неньютоновських багатошарових розплавів через головку при соекструзії течії - складне явище, а, тим більше, якщо середній шар складається із суміші відходів полімерних матеріалів. Швидкість зрушення залежить від положення шару в каналі головки. У зв'язку з цим для правильного вибору полімерів для спільної екструзії, завдання параметрів процесу необхідно мати модель течії таких розплавів.

Математичний аналіз течії багатошарових розплавів проведено для вузьких кільцевих каналів розробленої експериментальної соекструзійної установки.

На (рис. 5) наведено схему для розрахунку розподілу швидкостей поточної в об'ємному кільцевому каналі полімерної структури, що являє собою набір практично параболічних сегментів, які з'єднуються на міжфазних поверхнях.

Припускаючи, що течія стала і у каналі тече кілька шарів, тоді для i-го шару швидкість течії:

(28)

де H - товщина каналу; S=1/n

L - довжина каналу;

n –індекс плину;

m – в'язкість полімеру;

y, l – координата, для якої розраховується швидкість течії.

Рис. 5. Схема розрахунку ділянки спільного плину

Використовуючи дане співвідношення і задаючись перепадом тиску для кожного шару на одній з ділянок головки і необхідним розподілом шарів у каналі, відповідно до необхідного комплексу властивостей можна розрахувати епюру швидкостей багатошарового потоку, при цьому за умовами незмішування шарів повинні виконуватися наступні співвідношення:

(29)

(30)

для уi=yi+1 , для li=li+1, (31)

де sh - крок ітерацій по осі Y (по каналу спільного плину), ah – крок ітерацій по довжині окружності кільцевого каналу.

Кількість кроків визначає число мікросегментів, на який розбивається кожен шар полімеру при розрахунку його режиму плину. Тоді продуктивність кожного мікросегменту даного полімеру:

(32)

де l - довжина сектора окружності для кільцевого каналу.

Продуктивність усього шару визначається:

(33)

Перепад тиску для мікрошару і відповідно для шару визначаємо:

(34)

де - перепад тиску на розраховуваній ділянці спільної течії полімерів.

Основним принципом побудови моделі течії багатошарового потоку приймаємо розбивку кожного шару на деяку кількість об'ємних мікросегментів, визначення для кожного мікросегменту характеристик течії, а вже потім аналіз режиму течії всього потоку. Вхідними даними для розрахунку кожного екструдера, за допомогою яких може бути визначена частота обертання шнека, є протитиск профілюючої соекструзійної головки при заданих продуктивності, температурі й однорідності суміші матеріалів у середньому шарі. Тому на визначення саме цих величин спрямовано аналіз плину багатошарового потоку.

Після розгляду геометричних характеристик каналів голівки було виділено три канали спільного плину і по вісім каналів, що підводять, розроблено алгоритм розрахунку голівки спільного плину полімерів. Для кожного шару визначено продуктивність і перепад тиску на ділянці спільного плину при заданій температурі, реологічної характеристиці матеріалу й однорідності суміші середнього шару. Також було розраховано перепад тиску в каналах роздільної течії кожного екструдера і сформовано вхідні дані для моделі середнього екструдера, що дозволяє розрахувати необхідну частоту обертання шнеків усіх екструдерів при заданій загальній продуктивності.

Результати моделювання представляються як епюри швидкостей об'ємного багатошарового потоку (рис. 6, рис. 7). Причому по об'ємної епюрі можна виявити характерні точки в суміші середнього шару, де відбулося неоднорідне змішування матеріалів