СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ|

ТЕРЕЩЕНКО ТЕТЯНА МИХАЙЛІВНА

УДК| 621.777.4:544.275.7

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ І ОБЛАДНАННЯ ПЕРЕРОБКИ ВТОРИННИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ КОМБІНОВАНИМ ВИДАВЛЮВАННЯМ

Спеціальність 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України (м. Луганськ).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Дядичев Валерій Володиславович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри комп'ютерно-інтегрованих технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри матеріалознавства;

кандидат технічних наук, професор Дубина Валентин Іларіоновіч, Запорізький національний технічний університет, професор кафедри обробки металів тиском.

Провідна установа:

Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра прикладної математики.

Захист відбудеться “ 18 ” травня 2007 р. о 10 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 в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “ 14 ” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 29.051.02

доктор технічних наук, професор Гутько Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення кількості відходів і скорочення природних ресурсів є наслідком антропогенної діяльності. Відходи полімерних матеріалів з одного боку являються джерелом забруднення навколишнього середовища, а з іншого боку – дешевою сировиною для виробництва виробів широкого діапазону застосування.

Вторинне використання пластичних мас розв’язує одночасно декілька важливих задач: зменшення забруднення навколишнього середовища за рахунок повторного використання полімерних матеріалів; економія запасів викопної сировини, нафти і газу, з якого виробляють полімери; зниження витрат на виробництво енергії, необхідної для перетворення сировини в матеріали.

Постійне зростання цін на природні ресурси призводить до розвитку технологій утилізації полімерних матеріалів. Ситуація, що склалася на сьогодні, у світовій економіці привела до того, що раніше економічно невигідні технології вторинного використання пластмас стають актуальними із-за різкого підвищення цін на первинну полімерну сировину.

Найбільшого поширення набули такі способи переробки пластмас: екструзія, соекструзія, лиття під тиском. Основою цих технологій є процеси обробки тиском.

Сучасні технології утилізації полімерних матеріалів спрямовані на отримання нового якісного виробу з відходів пластмас, що володіє такими ж властивостями, як і вироб з первинного матеріалу. Методом, який дозволяє одержати такі вироби, є соекструзія.

Удосконалення технології і обладнання для переробки вторинної полімерної сировини соекструзією є актуальною науково-практичною задачею, що забезпечує отримання нових якісних виробів, ресурсо- і енергозбереження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до комплексної науково - технічної програми "Створити та освоїти у виробництві комплекси технологічного обладнання, засоби автоматизації з використанням ресурсозберігаючих технологій" у рамках розв’язання 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 , з “Основними напрямками економічного і соціального розвитку України”, Закону України “Про відходи” (1998 р.). З 2000 р. робота виконувалася в рамках держбюджетних науково-дослідницьких робіт Міністерства освіти і науки України (роботи № 0196U023021, 0197U008350, 0100U006296).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення технології переробки вторинних полімерних матеріалів і соекструзійного обладнання для виготовлення нових якісних виробів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі визначаються і розв’язуються такі задачі:

§ провести дослідження та визначити напрями і методи удосконалення соекструзійного обладнання для переробки вторинної полімерної сировини з отриманням нових якісних виробів;

§ розробити методику розрахунку конструктивних параметрів соекструзійної головки для переробки вторинних полімерних матеріалів;

§ розробити математичну модель течії вторинного полімеру в розподільних каналах соекструзійної головки з урахуванням реологічної поведінки матеріалу;

§ розробити формуюче обладнання, що відповідає задачам переробки вторинних полімерних матеріалів методом соекструзії;

§ перевірити адекватність математичної моделі шляхом фізичного моделювання і виробничих випробувань розробленого соекструзійного обладнання.

Об'єкт дослідження. Процес соекструзійного формоутворення порожнистих виробів з вторинних полімерних матеріалів.

Предмет дослідження. Соекструзійні головки для виготовлення виробів з вторинних полімерних матеріалів.

Методи дослідження. В основу математичної моделі покладені процеси розподілу потоків розплаву полімеру під дією тиску з урахуванням реологічної поведінки матеріалу. Визначення перепаду тиску на ділянках розподільних каналів соекструзійної головки виконане на підставі сумісного рішення рівнянь рівноваги сил, що діють на елементарний об'єм, і рівняння неньютонівської течії. Експериментальні дослідження проведено з використанням сучасної контрольно-вимірювальної техніки, що серійно випускається промисловістю, і пройшла державну метрологічну перевірку у встановленому порядку. Кількісну перевірку експериментальних даних і одержання регресійних багатофакторних залежностей виконано методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

Одержала подальший розвиток математична модель процесу створення багатошарової структури шляхом послідовного моделювання каналів соекструзійної головки, що дозволяє визначити вплив рівномірності розподілу розплаву полімеру кожного окремого шару на якість готового виробу.

Удосконалено метод визначення реології розплаву полімерного матеріалу, шляхом урахування впливу температури переробки і рівня зрушуючих деформацій на в'язкість розплаву в розподільних каналах соекструзійної головки.

Вперше на основі принципу електрофізичних аналогій розроблена математична модель процесу розподілу розплаву полімеру в каналах соекструзійної головки, використання якої дозволило встановити взаємозв'язок конструктивних параметрів обладнання і технологічних режимів процесу створення багатошарової структури.

Вперше встановлено вплив формоутворювального зазору розподільного каналу на перепад тиску і рівномірність розподілу розплаву полімеру, що дозволило визначити конструктивні параметри соекструзійної головки, що забезпечують підвищення якості готового виробу.

Практичне значення отриманих результатів:

1. У використанні нової технології переробки полімерних матеріалів з отриманням багатошарової структури з вторинної сировини промислового і побутового походження, яка забезпечує скорочення стадій процесу і поліпшення якості одержаних виробів.

2. У використанні розробленої методики розрахунку параметрів процесу створення багатошарової структури для розробки нових конструкцій і визначення раціональних технологічних і конструктивних параметрів.

3. У використанні розробленої конструкції соекструзійної головки для отримання чотиришарової структури з вторинної сировини промислового і побутового походження.

Результати роботи реалізовані в промисловості у вигляді:

1. Експериментального зразка соекструзійної головки для переробки вторинної полімерної сировини і отримання ємкостей для побутової хімії, упровадженого на ТОВЗавод побутової хімії "ДОННА"".

2. Спеціалізованого прикладного програмного забезпечення у вигляді математичної моделі розрахунку технологічних і конструктивних параметрів процесу створення багатошарової структури при переробці вторинної полімерної сировини, упровадженої на ПП "Сонечко".

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримано автором самостійно. В результаті досліджень, опублікованих у співавторстві, автором розроблено методи визначення ефективної в'язкості розплаву полімеру в процесі формоутворення багатошарової структури методом соекструзії, методика розрахунку параметрів течії розплаву полімерного матеріалу на ділянках розподільних каналів соекструзійної головки з урахуванням взаємного впливу потоків, визначення взаємозв'язку конструктивних і технологічних параметрів процесу формоутворення багатошарової структури, визначення раціональних конструктивних параметрів соекструзійної головки для утилізації полімерних відходів методом моделювання. Автор брав участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів методами математичної статистики. Упровадження результатів дисертації в промисловість здійснювалося за участю автора.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на Міждержавній науково-методичній конференції “Проблемі математичного моделювання” м. Дніпродзержинськ, 2005г.; на 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Еколого-економічні проблеми Карпатського єврорегіону” м. Івано-Франківськ, 2005г.; на Міжнародній науково-практичній конференції “Наукові дослідження – теорія та експеримент’2005” м. Полтава, 2005г.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 6-и статтях у наукових журналах, 3-х статтях у збірниках наукових праць, у 2-х статтях у збірниках, виданих за матеріалами міжнародних конференцій. Усього наукових праць.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Повний обсяг дисертації – 225 сторінки друкованого тексту, зокрема 195 сторінки основного тексту, 63 рисунків, 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність розглянутої проблеми, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, визначена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті сучасні тенденції і шляхи розвитку технологій утилізації відходів полімерних матеріалів. Проведено аналіз структури полімерних відходів в Україні за видами пластичних мас, встановлено, що найбільш поширеними є відходи поліетилену. Найбільш доцільним з погляду екології і енергозбереження є вторинна переробка полімерних відходів. Установлено, що застосування методу соекструзії дозволяє виключити багато технологічних операцій, необхідних для виготовлення виробів з відходів полімерних матеріалів таких, як агломерація і грануляція, що вимагають великих витрат енергії. Властивості готового виробу з відходів полімерів при цьому такі ж, як і у виробі з первинного матеріалу.

Проблемами переробки первинних і вторинних полімерних матеріалів займалися багато вітчизняних і закордонних фахівців, у тому числі В. Е. Гуль, В. С. Кім, Г. Д. Каліновська, Г. А. Бистров, В. В. Дядичев, В. В. Леванічев, Е. Бернхард, Д. Ф. Каган, Д. М. Мак-Келві, К. Раувендаль, В. В. Стрибков, З. Тадмор, Р. В. Торнер, Л. Штарке та ін. Однак питанням раціонального конструювання і розрахунку розподільних каналів соекструзійних головок для переробки вторинної полімерної сировини присвячено мало робіт.

Описані в літературних джерелах конструкції соекструзійного обладнання орієнтовані на переробку первинної полімерної сировини, а для переробки вторинного матеріалу необхідно удосконалення конструкції соекструзійної головки і добір технологічних параметрів з урахуванням особливостей реології вторинних матеріалів.

У другому розділі обґрунтований вибір напрямів і методів досліджень соекструзійного обладнання. На основі системного аналізу соекструзійних головок визначені вимоги до їхнього удосконалення і виділена роль розподільних каналів роздільної течії в загальній задачі розширення технічних можливостей соекструзійних головок. Удосконалення головок дозволить розширити сферу їх застосування, знизити залежність процесу створення багатошарової структури від технологічних властивостей сировини, зменшити кількість відходів, що виникають під час переналадки на випуск нового виробу. У ідеалі слід прагнути, щоб на соекструзійній голівці, можна було переробляти полімерні матеріали з будь-якими технологічними властивостями. Така головка дозволить більш повно задовольняти запити ринку полімерної упаковки, знизити потребу в додатковому обладнанні, збільшити ступінь використання обладнання.

У третьому розділі визначена структура багатошарової трубчастої заготовки, розроблена функціональна схема соекструзійної головки, розроблені методи удосконалення математичної моделі процесу створення багатошарової структури.

Встановлено, що найдоцільніше переробляти промислові і побутові вторинні полімерні матеріали окремо. Тому в полімерній структурі, запропонованій в роботі, з вторинного полімерного матеріалу формується два середніх шари. Перший середній шар – це вторинні полімерні матеріали промислового походження. Другий середній шар – це вторинні побутові полімери. Зовнішній і внутрішній шари запропонованої багатошарової полімерної структури формуються з первинного полімерного матеріалу. Це необхідна умова отримання якісного виробу. Для отримання такої багатошарової структури розроблена функціональна схема соекструзійної головки. Запропонована головка складається з чотирьох розподільних каналів. Два канали призначені для формоутворення шарів з первинного полімерного матеріалу (зовнішній і внутрішній шари). Вони є комбінацією копільника і конічної частини розподільного каналу. Інші два канали призначені для формоутворення шарів з вторинного полімерного матеріалу (середній шар з промислових відходів і середній шар з побутових відходів). Ці канали мають складнішу конструкцію, це обумовлено властивостями вторинного матеріалу. Вони є комбінацією копільника і конічної частини з| спіральними канавками, які забезпечують більш рівномірний розподіл розплаву вторинного полімерного матеріалу і знижують перепад тиску в розподільному каналі.

Розроблена методика визначення реології розплаву вторинного полімерного матеріалу, в широкому діапазоні швидкостей зрушення, що дозволяє визначити вплив властивостей матеріалу на перепад тиску на ділянках розподільних каналів соекструзійної головки. В результаті експериментальних досліджень впливу температури переробки на реологію первинного і вторинного полімерного матеріалу отримані рівняння регресії для визначення індексу течії і константи в'язкості розплаву. Закон течії приймає вигляд

, (1)

де – в'язкість розплаву;

b – коефіцієнт, що визначає крок температурних кривих;

Т – температура переробки полімеру;

Т0 – температура плавлення полімеру;

– швидкість зрушення;

n – індекс течії розплаву;

а0, а1, а2,0,,1,2 – коефіцієнти рівнянь регресії.

В результаті сумісного рішення рівнянь рівноваги сил, що діють на елементарний об'єм, і рівняння неньютонівської течії отримані залежності для визначення коефіцієнтів опору каналів простої геометрії (трубний і щілинний канал). Шляхом застосування принципу електрофізичних аналогій отримані залежності для визначення перепаду тиску в розподільних каналах соекструзійної головки.

Четвертий розділ присвячено розробці математичної моделі роботи соекструзійної головки, програмній реалізації розробленої моделі, дослідженню процесу створення багатошарової структури з метою встановлення взаємозв'язків між технологічними і конструктивними параметрами обладнання.

Відповідно до прийнятого методу ступінчастої апроксимації розподільних каналів на ділянки характерної геометрії і застосовуючи метод електрофізичних аналогій, отримали розрахункову схему визначення розподілу перепаду тиску в каналах головки (рис.1).

Рис.1. Розрахункова схема визначення перепаду тиску в каналах головки

В результаті створення математичної моделі отримали залежності для визначення коефіцієнтів опору даних ділянок розподільних каналів соекструзійної головки, витрати розплаву полімерного матеріалу через ділянки, перепаду тиску на ділянках каналів і загальний перепад тиску в каналах головки:

для первинного полімерного матеріалу

, (2)

для вторинного полімерного матеріалу

, (3)

де .

Математичним моделюванням отримані графіки розподілу тиску по довжині копільника і графіки розподілу тиску в конічній частині для кожного розподільного каналу соекструзійної головки (рис.2).

З графіка видно, що для шарів первинного полімерного матеріалу тиск в копільнику на ділянці 140-170? зростає в 5 разів, це відбувається внаслідок зменшення діаметру копільника і підвищення швидкості потоків розплаву полімеру. Таке зростання тиску не здійснює значного впливу на стабільність процесу розподілу матеріалу в каналі, оскільки первинний полімер має достатньо високий індекс течії і його в'язкість мало залежить від тиску. Внаслідок особливостей реології розплаву вторинного полімеру, підвищення тиску може привести до різкого падіння в'язкості і порушення потоку розплаву. Тому запропонована конструкція розподільних каналів вторинних полімерних матеріалів включає спіральні канавки, які призначені для більш рівномірного розподілу тиску і стабілізації процесу.

Рис. 2. Розподіл тиску в копільнику (а) і конічній частині (б) каналів соекструзійної головки

(1-зовнішній шар, 2-перший середній шар (промислові вторинні полімери), 3-другий середній шар (побутові вторинні полімери), 4-внутрішній шар)

Форма кривої тиску в конічній частині каналу для чотирьох розподільників однакова. Зниження тиску є необхідною умовою вирівнювання швидкостей потоків розплаву полімеру на виході з розподільного каналу. Графік показує, що діапазон тиску в конічній частині каналу складає 2,0-6,0 МПа. Цей мінімальний тиск необхідний для вирівнювання швидкостей потоків розплаву на виході.

Одержані в результаті моделювання тиск і швидкість зрушення дозволили розрахувати значення максимальної лінійної швидкості течії потоку розплаву на ділянках каналу і побудувати епюри лінійних швидкостей (рис.3).

З графіків максимальної лінійної швидкості потоку розплаву видно, що наявність спіральних канавок дає відхилення в швидкостях по потоках 18-21%, тоді як канали первинного полімеру формують шар з відхиленням швидкостей потоків розплаву 22-27%.

Другий середній шар, що складається з побутових відходів полімерних матеріалів, є складною композицією. Математична модель дозволяє визначити вплив формоутворювального зазору h і проценту вмісту вторинних полімерів е на перепад тиску в каналі і різнотовщинність шару (рис.4).

Рис. 3. Розподіл максимальних лінійних швидкостей потоків розплаву полімеру (а) і епюра лінійних швидкостей потоків розплаву (б) полімеру першого середнього шару (1-зовнішній шар, 2-перший середній шар (промислові вторинні полімери), 3-другий середній шар (побутові вторинні полімери), 4-внутрішній шар)

Рис. 4. Залежність тиску і різнотовщинності

другого середнього шару від формоутворювального зазору (а) і вмісту вторинних полімерів (б) ( - - - – перепад тиску,
– різнотовщинність)

З графіка (рис.4а) видно, що тиск в розподільному каналі обернено пропорціонально збільшується із зменшенням формоутворювального зазору. Різнотовщинність шару має оптимальне значення формоутворювального зазору.

Аналіз отриманих результатів дозволив визначити мінімальне і максимальне значення формоутворювального зазору, що забезпечує необхідну різнотовщинність шару і тиск в розподільних каналах соекструзійної головки. Графік залежності (рис.4б) показує, що із збільшенням проценту відходів збільшується різнотовщинність шару і знижується тиск в каналі. Це обумовлено зміною індексу течії розплаву із збільшенням проценту вмісту вторинного матеріалу в шарі. Результати математичного моделювання показали, що різнотовщинність не більше 40% забезпечується при вмісті відходів в композиції шару не більше 75%, при цьому значення тиску в каналі знаходиться в робочому діапазоні 3,0-10,0 МПа.

П'ятий розділ присвячено підтвердженню проведених теоретичних досліджень шляхом експериментальних досліджень на фізичній моделі і виробничих випробувань розробленої соекструзійної головки.

Розроблена фізична модель процесу розподілу полімерного матеріалу в каналах соекструзійної головки для перевірки адекватності математичного моделювання. Фізичне моделювання полягало у вимірюванні швидкостей потоку розплаву по колу формованої трубчастої заготовки у момент зміни кольору розплаву. У якості модельного матеріалу використовували чистий поліетилен марки 15813-020 і суміш 90% поліетилену  % чорного барвника Polyblack 1423/20.

Експериментальні дані, отримані на фізичній моделі, оброблені методами математичної статистики, довірча ймовірність експериментальних даних Р=0,95.

Рівномірність розподілу шарів полімерних матеріалів в багатошаровій структурі взаємозв'язана з перепадом тиску в каналах соекструзійної головки. Даний показник визначає якість виробів, особливо їх механічні властивості: межа міцності при різних деформаціях, відносне подовження при розриві, опір розшаровуванню. Мета промислових випробувань полягала в порівнянні якості виробів, виготовлених з використанням конічної головки і соекструзійної головки розробленої конструкції, а також оцінка впливу основних технологічних параметрів процесу створення багатошарової структури на якість готових виробів. Методика проведення промислових випробувань включала такі етапи: виготовлення експериментальних зразків виробів з використанням конічної і соекструзійної головки запропонованої конструкцій при різних технологічних режимах; відбір зразків проб матеріалу з отриманих виробів і проведення лабораторних випробувань за визначенням їх механічних властивостей (міцність при розтягуванні в подовжньому і поперечному напрямку); якісна оцінка експериментальних даних методами математичної статистики.

Актуальною практичною задачею є прогнозування механічних властивостей отриманих багатошарових структур, а саме межі міцності при розтягуванні в подовжньому (у1) і поперечному (у2) напрямку. У виробничих умовах переробка здійснювалася з використанням визначеної конструкції соекструзійної головки із заданим процентним співвідношенням шарів в багатошаровій структурі. При цьому основними аргументами функцій виступають технологічні параметри: сумарна продуктивність установки УQ, температура в каналі другого середнього шару Т3, а також процентний вміст вторинних полімерів в суміші e, що переробляється:

, (4)

. (5)

Коефіцієнти залежностей (4) і (5) визначили методом найменших квадратів, перевірку однорідності дисперсій проведених досліджень – з використанням критерію Кохрена (q=0,05), оцінку адекватності рівнянь регресії – критерію Фішера (q=0,05).

На підставі проведених виробничих випробувань визначили, що межа міцності при розтягуванні в поперечному напрямку у2 зразків багатошарового матеріалу, отриманих методом соекструзійно-видувного формування, менше, ніж в подовжньому напрямку у1, що пояснюється напрямом формування тиском мікрошарів виробів. З отриманих лінійних багатофакторних залежностей виходить, що для досліджуваних значень факторів збільшення температури розплаву в каналі побутових відходів Т3 і вмісту вторинної сировини е приводить до зменшення механічної міцності отриманого багатошарового матеріалу, а збільшення сумарної продуктивності УQ, навпаки, - до збільшення.

Порівняння конічної головки і соекструзійної головки показало, що при тих же значеннях факторів межі міцності багатошарового матеріалу значно вище для виробів, отриманих з використанням розробленої конструкції. Межа міцності при розтягуванні зразків багатошарового матеріалу, отриманих з використанням конічної головки, склала в подовжньому напрямку у1 = 39,05 МПа, в поперечному – у2 = ,62 МПа, отриманих з використанням розробленої конструкції – у1 = 61,27 МПа; у2 = ,36 МПа, відповідно. Таким чином, при використанні розробленої конструкції соекструзійної головки межа міцності зразків багатошарового матеріалу при розтягуванні в подовжньому напрямку (у1) збільшилася в 1,57 разу, а в поперечному напрямку (у2) – в 1,69 разу. На основі рівнянь регресії для поперечного розтягування зразків, виготовлених з використанням соекструзійної головки визначили, що граничний вміст вторинного полімеру збільшився в 2,3 разу порівняно з використанням конічної головки. Таким чином, при використанні розробленої конструкції соекструзійної головки реалізується економія первинної сировини в розмірі до 34в порівнянні з конічною головкою. Результати досягнуті шляхом застосування нової конструкції соекструзійної головки, геометричні параметри якої забезпечують рівномірний розподіл шарів в багатошаровій структурі.

Для демонстрації безпосереднього зв'язку межі міцності зразків багатошарового матеріалу з рівномірністю розподілу розплаву полімеру в каналах соекструзійної головки наводяться спільні графіки залежностей межі міцності в подовжньому у1, поперечному напрямку у2 (рівняння регресії результатів промислових випробувань) і різнотовщинності ДQ (математичне і фізичне моделювання) від вмісту вторинної сировини е (рис. ).

З наведених графіків видно, що збільшення вмісту вторинної полімерної сировини e в шарі побутових відходів приводить до збільшення різнотовщинності ДQ при цьому значно зменшується межа міцності при розтягуванні в подовжньому у1 і поперечному у2 напрямках зразків багатошарового матеріалу.

При збільшенні процентного вмісту вторинної полімерної сировини e в другому середньому шарі (побутові відходи) до 60% різнотовщинність шару зростає до 29% при цьому міцність багатошарової структури при розриві, як в подовжньому, так і в поперечному напрямках знижується в 2 рази.

Аналіз наведеного графіку дозволяє зробити висновок про адекватність розробленої математичної моделі процесу створення багатошарової структури і методики розрахунку параметрів течії розплаву полімерного матеріалу в розподільних каналах соекструзійної головки.

Рис. . Графіки залежностей показників якості виробів від вмісту вторинної сировини

у1, МПа, у2, МПа, ДQ, % (математичне моделювання),

ДQ, % (фізичне моделювання).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язана науково-технічна задача удосконалення технології і обладнання переробки вторинних полімерних матеріалів з використанням чотиришарової головки, що забезпечує підвищення продуктивності і покращення якості виробів, що виготовляються.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у такому:

1. На підставі аналізу властивостей вторинної полімерної сировини і якісного аналізу процесу соекструзії розроблена нова функціональна схема соекструзійної головки для створення багатошарової структури, що відрізняється наявністю спіральних розподільних каналів, призначених для формування шарів з вторинних полімерів. Розроблена схема забезпечує стабільність тиску по всій довжині розподільних каналів і рівномірність розподілу полімерного матеріалу.

2. Шляхом спільного розв’язання рівнянь рівноваги сил, що діють на елементарний об'єм, і рівняння неньютонівської течії вперше розроблена методика визначення перепаду тиску і продуктивності на ділянках розподільних каналів з урахуванням взаємного впливу потоків розплаву полімеру на основі принципу електрофізичних аналогій. Розроблена методика дозволяє визначити раціональні конструктивні і технологічні параметри процесу соекструзії, а так само оцінити ефективність роботи соекструзійної головки.

3. На підставі методики визначення реології розплаву полімеру і методики визначення перепаду тиску і продуктивності на ділянках розподільних каналів реалізована математична модель роботи соекструзійної головки в процесі створення багатошарової структури з вторинних полімерних матеріалів, за результатами дослідження якої визначений діапазон сумарної продуктивності головки і температурні діапазони розплавів полімерних матеріалів для кожного шару з урахуванням робочого тиску. Діапазону тиску Р=3,0-10,0  МПа відповідає сумарна продуктивність в межах Q=10-58кг/час, що в 6 разів більше для розробленої конструкції в порівнянні з визначеним прототипом. Тому розроблена конструкція забезпечує виготовлення ширшої номенклатури готових виробів.

4. На підставі результатів дослідження розробленої конструкції соекструзійної головки і математичного моделювання процесу створення багатошарової структури проведена оцінка впливу формоутворювального зазору на перепад тиску і різнотовщинність в розподільних каналах з метою раціоналізації конструкції соекструзійної головки. Аналіз отриманих результатів дозволив визначити мінімальне і максимальне значення формоутворювального зазору, що забезпечує різнотовщинність шарів не більше 40% в робочому діапазоні тиску.

5. На підставі промислових випробувань зразків багатошарової структури, отриманих з використанням розробленої конструкції соекструзійної головки і конічної головки, визначено, що межа міцності при розтягуванні зразків, отриманих з використанням розробленої конструкції, в подовжньому напрямку збільшилася в 1,57 разу, а в поперечному напрямку - в 1,69 разу в порівнянні із зразками, виготовленими з використанням конічної головки. Відтворюваність експерименту підтверджується критерієм Кохрена при рівні значущості q=0,05, адекватність математичного опису дослідним даним підтверджується критерієм Фішера при рівні значущості q=0,05. Таким чином, при впровадженні розробленої соекструзійної головки в технологічний процес переробки вторинної полімерної сировини зростає якість виробів.

6. Упровадження результатів роботи в промисловості дозволило підтвердити об'єктивність проведених досліджень й одержати економічний ефект у сумі 58,6 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дядичев В.В., Леваничев В.В., Терещенко Т.М. Методика описания реологии расплава полимера в широком диапазоне скоростей сдвига // Ресурсозберiгаючi технологii виробництва та обробки матерiалiв у машинобудуваннi: Зб. наук. пр. – Луганськ: вид-во СНУ iм. В. Даля, 2003. – С. –72.

2. Терещенко Т.М. Исследование реологии расплава полимера в каналах соэкструзионных головок // Вістник Українського державного университету водного господарства та природокористування: Зб. наук. пр., випуск 1(25). – Рівне: вид-во УДУВГПК, 2004. – С. 101–106.

3. Терещенко Т.М., Дядичев В.В., Леваничев В.В. Метод расчета эффективной вязкости полимера // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2004. – №2(72). – С. –181.

4. Дядичев В.В., Леваничев В.В., Терещенко Т.М., Мухамед Анис Фахид Аль Фаури. Исследование течения расплава вторичного полимерного материала в распределительном канале под давлениемРесурсозберiгаючi технологii виробництва та обробки матерiалiв у машинобудуваннi: Зб. наук. пр. В 2-х ч. Ч.1. – Луганськ: вид-во СНУ iм. В. Даля, 2004. – С. 72-77.

5. Дядичев В.В., Терещенко Т.М., Мухамед Анис Фахид Аль Фаури. Моделирование процесса переработки наполненных полимеровГідромеліорація та гідротехнічне будівництво: Зб. наук. пр., випуск 29. – Рівне: вид-во УДУВГПК, 2004. – С. 92–97.

6. Дядичев В.В., Колесников А.В., Терещенко Т.М., Аль Фаури М.А. Моделирование технологических параметров экструзионного оборудования по переработке полимерных материалов // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2004. – №12(82). – С.91–94.

7. Дядичев В.В., Терещенко Т.М., Мухаммед Анис Фахид Аль Фаури. Раздув под давлением многослойных полимерных емкостей на базе роторной технологии // Вістник Українського державного университету водного господарства та природокористування: Зб. наук. пр., випуск 1(29). – Рівне: вид-во УДУВГПК, 2005. – С. 68–73.

8. Дядичев В.В., Терещенко Т.М., Муххамед А.Ф. Аль-Фаури. Математическая модель течения вторичного полимерного материала в формующем канале соэкструзионной головки // Проблеми математичного моделювання: Матеріали Міждержавної науково-методичної конференції (25–27 травня 2005р.). – Дніпродзержинськ: Дніпродзержинський держ. тех. ун-т, 2005. – С. 57–58.

9. Дядичев В.В., Терещенко Т.М. Усовершенствование технологии утилизации полимерных отходов с изготовлением новых качественных изделий Наукові вісті інституту менеджменту та економіки “Галицька академія”: Зб. наук. пр., випуск 1(7). – Івано-Франківськ: вид-во ІМЕ “Галицька академія”, 2005. – С. 105–111.

10. Дядичев В.В., Терещенко Т.М. Обработка давлением вторичных полимерных материалов с использованием специального оборудования // Наукові дослідження – теорія та експеримент’2005: Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції (16–20 травня 2005р.). – Полтава: Полтавський нац. тех. ун-т ім. Юрія Кондратюка, 2005. – С. –23.

11. Терещенко Т.М. Разработка формующего оборудования для переработки вторичных полимерных материалов методом соэкструзии // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2005. – №10(92). – С. –215.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві:

[1],] – виконано експериментальні дослідження реології полімерів, обґрунтовано застосування рівнянь регресії;

[4],],] – виконано обґрунтування використання методу математичного моделювання, розроблена математична модель процесу розподілу полімеру в каналі головки, обґрунтований вибір полімерних матеріалів для дослідження;

[5] – розроблено рекомендації по покращенню роботи обладнання на основі результатів математичного моделювання;

[6] – виконано постановку задачі математичного моделювання процессу, аналіз впливу конструктивних параметрів обладнання на якість змішення;

[7] – виконано експериментальні дослідження впливу режиму охолоджування на якість готового виробу;

[9] – проведено аналіз сучасних технологій утилізації полімерних матеріалів.

АНОТАЦІЯ

Терещенко Т.М. Удосконалення технології і обладнання переробки вторинних полімерних матеріалів комбінованим видавлюванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – процеси і машини обробки тиском, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності технологічних процесів переробки вторинних полімерних матеріалів методом соекструзії на основі математичного моделювання процесу створення багатошарової структури і встановлення взаємозв'язків між технологічними і конструктивними параметрами процесу.

Розроблено конструкцію соекструзійної головки, призначеної для роздільної переробки вторинних полімерів промислового і побутового походження. Така конструкція дозволяє виготовляти виріб з вторинної полімерної сировини, що має такі ж властивості, як і виріб з первинного полімеру.

На основі принципу електрофізичних аналогій вперше розроблена математична модель роботи соекструзийної головки, використання якої дозволило встановити взаємозв'язок технологічних і конструктивних параметрів процесу створення багатошарової структури. Визначені раціональні конструктивні параметри соекструзийної головки, що забезпечують підвищення якості готового виробу.

Проведені експериментальні дослідження на фізичній моделі і промисловому обладнанні, які підтвердили адекватність математичної моделі і визначили вплив технологічних параметрів процесу соекструзії і вмісту вторинних полімерних матеріалів на межу міцності отриманих виробів.

Ключові слова: вторинні полімерні матеріали, сумісна екструзія, соекструзійна головка, розподільний канал, формоутворюючий зазор, межа міцності при розтягуванні, математична модель, зрушуюча деформація, швидкість зрушення.

АННОТАЦИЯ

Терещенко Т.М. Совершенствование технологии и оборудования переработки вторичных полимерных материалов комбинированным выдавливанием. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – процессы и машины обработки давлением, Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2007.

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности технологических процессов переработки вторичных полимерных материалов методом соэкструзии на основе математического моделирования процесса создания многослойной структуры и установления взаимосвязей между технологическими параметрами процесса и конструктивными параметрами оборудования.

Освоение технологий вторичного использования пластических масс является современной научно-практической задачей, обеспечивающей ресурсосбережение. Дальнейшее развитие ресурсосберегающих технологий связано с научным обоснованием и разработкой нового оборудования, обеспечивающего повышение производительности и повышение качества готового изделия.

Разработана конструкция соэкструзионной головки, предназначенной для раздельной переработки вторичных полимеров промышленного и бытового происхождения. Такая конструкция позволяет изготавливать изделие из вторичного полимерного сырья, обладающего такими же свойствами, как и изделие из первичного полимера.

Разработана методика определения вязкости расплава полимерного материала на основе уравнений регрессии, учитывающая влияние температуры и сдвиговых деформаций на индекс течения и константу вязкости. Это позволило построить математическую модель работы соэкструзионной головки с учетом свойств вторичного полимерного материала.

Определено влияние геометрических особенностей конструкции распределительных каналов соэкструзионной головки на основе анализа линий равной скорости, что позволило получить значения коэффициентов течения, влияющих на перепад давления в каналах головки и использовать их при построении математической модели.

На основе принципа электрофизических аналогий впервые разработана математическая модель работы соэкструзионной головки, использование которой позволило установить взаимосвязь технологических и конструктивных параметров процесса создания многослойной структуры. Установлено влияние формообразующего зазора на перепад давления в распределительных каналах и равномерность распределения расплава полимерного материала. Определены рациональные конструктивные параметры соэкструзионной головки, обеспечивающие повышение качества готового изделия.

Разработана микропроцессорная измерительная система, позволяющая определить равномерность распределения расплава полимера по каналам соэкструзионной головки. Произведены экспериментальные исследования на физической модели и промышленном оборудовании, подтверждающие адекватность математической модели, определено влияние технологических параметров процесса соэкструзии и содержания вторичных полимерных материалов на предел прочности, полученных готовых изделий.

Результаты работы внедрены в производство ООО “Завод бытовой химии “ДОННА”” (г. Луганск) и МЧП “Сонечко” (г. Луганск).

Ключевые слова: вторичные полимерные материалы, совместное экструдирование, соэкструзионная головка, распределительный канал, формообразующий зазор, разнотолщинность, предел прочности при растяжении, математическая модель, сдвиговая деформация, скорость сдвига.

ABSTRACT

Tereschenko Т.М. Perfection of technology and equipment of processing of the secondary polymeric materials by the combined extrusion. – Manuscript.

Dissertation for a Candidate’s degree in Engineering, specialty 05.03.05 - Processes and Machines of Plastic Working. The East Ukrainian National University named after Vladimir Dahl, Lugansk, 2007.

Dissertation work is devoted to the increase of efficiency of technological processes of recycling of the secondary polymeric materials by the method of coextrusion on the basis of mathematical design of the process of making of multi-layer structure and setting of interrelations between the technological and constructional parameters of process.

It is developed construction of the coextrusion die designed for the separate processing of the secondary polymers of industrial and domestic origin. Such a construction allows to produce wares from the secondary polymeric raw material possessing the same properties, as goods from the primary polymer.

It is first developed the mathematical model of the work of coextrusion head on the basis of the principle of electrophysical analogies. Its use allowed to set the interrelation of technological and constructional parameters of the creating process of multi-layer structure. Rational constructional parameters of coextrusion die are determined. They provide the raising of product’s quality.

It is made experimental researches on a physical model and industrial equipment. They confirm adequacy of mathematical model and determine the interrelation of technological parameters of coextrusion and percentage of the secondary polymeric materials with breaking point of product.

Keywords: secondary polymeric materials, coextrusion, coextrusion die, flow channel, forming gap, gage interference, breaking point, mathematical model, shear deformation, shear rate.

Автореферат

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ І ОБЛАДНАННЯ ПЕРЕРОБКИ ВТОРИННИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ КОМБІНОВАНИМ ВИДАВЛЮВАННЯМ

Терещенко Тетяна Михайлівна

Підписано до друку 04.04.07. Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times. Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1. Тираж 100 прим. Вид. № 930. Замов. № 292

Дільниця оперативної поліграфії

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а

Адреса видавництва: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а

Телефон: 8 (0642) 41-34-12. Факс: 8 (0642) 41-31-60

E-mail: uni@snu.edu.ua

http://www.snu.edu.ua