Full Text

Целью экспериментального исследования процесса экструзии было определение влияния условий переработки полимера и его реологических свойств на такие выходные параметры процесса, как расход, давление, средняя температура расплава на выходе экструдера, потребляемая электроприводом мощность. Необходимость такого исследования вызвана отсутствием в литературных источниках полной картины комплексного описания влияния условий переработки и реологии перерабатываемого полимера на указанный ряд выходных параметров процесса. Первоначально было проведено экспериментальное исследование реологических свойств нескольких марок ПВХ-пластиката, наиболее широко используемых при изготовлении электрических кабелей, которые предполагалось подвергнуть переработке на лабораторном экструдере при различных условиях. При моделировании процессов течения расплавов полимеров наиболее часто используются феноменологические модели течения жидкостей, что объясняется относительной простотой таких моделей, их высокой точностью описания поведения жидкости и возможностью экспериментального определения параметров моделей, что важно при использовании их в инженерной практике. Поэтому в качестве реологического уравнения использовалось выражение, в котором зависимость вязкости от скорости сдвига определялась степенным законом, а от температуры – уравнением Рейнольдса [1–3]: где – эффективная вязкость; – начальная вязкость; – температурный коэффициент; – второй инвариант тензора скоростей деформаций; – показатель аномалии вязкости; – температура; – коэффициент консистенции при . Для определения реологических характеристик расплавов полимеров была использована методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных [4]. В табл. 1 приведены реологические характеристики исследованных полимерных материалов. Таблица 1 Реологические характеристики ПВХ-пластиката различных марок Марка, Па×сnn, 1/°СT0,°С И 40-13644330,56250,0965170 И 40-14722510,42660,0928170 НГП 30-32400130,41460,0812170 О 40509800,41160,0933160 ППИ 30-30322210,33020,0637170 ППО 30-35262870,33160,0369160 Из полученных результатов видно, что материалы имеют значительный разброс начальной вязкости, которая может достигать для материала И 40-14 значения более 72 000 Па×сn, а расплавы материалов ППИ 30-30 и ППО 30-35 демонстрируют резко неньютоновское поведение. Далее материалы с известными реологическими свойствами были подвергнуты переработке на лабораторном экструдере в широком диапазоне значений технологических характеристик, таких как распределение температуры корпуса экструдера и скорость вращения шнека. Схема лабораторного экструдера, использованного в эксперименте, приведена на рис. 1. Экструдер был оснащен классическим шнеком диаметром 32 мм с шагом нарезки червяка 20 мм и линейно изменяющейся глубиной канала от 6 мм в зоне загрузки до 1,5 мм в конце зоны дозирования. Конструкция шнека приведена на рис. 2. В качестве нагрузки экструдера использовалась головка, конструкция которой приведена на рис. 3. Влияние температуры корпуса на параметры процесса экструзии исследовалось для двух типовых профилей температуры корпуса по зонам. Значения температур по зонам для обоих случаев приведены в табл. 2. Таблица 2 Температурные профили корпуса экструдера № профиляT1,°СT2,°СT3,°СT4,°СTголовки,°С 1110120145145145 2110120160160160 Полученные экспериментальные значения параметров процесса экструзии при переработке различных материалов приведены в табл. 3. Таблица 3 Экспериментальные значения параметров процесса экструзии Марка материала№ профиляN, об/минТср, °СP, барSпривода, ВтG, кг/ч И 40-14135151,660,011854,74 25152,650,58333,30 15147,342,65082,04 235166,539,512604,65 25166,534,08503,30 15165,827,75061,92 О–40135145,039,811504,92 25150,133,07753,60 15145,4284802,28 235159,715,611755,10 25163,27,58003,60 15165,33,94602,34 И 40-13135153,353,513154,55 25154,847,19203,21 15146,243,65141,86 235168,632,814304,3 25167,231,09803,15 15165,726,55601,86 ППИ 30-30135147,867,011806,00 25147,060,08254,23 15145,347,04752,67 235159,834,011605,97 25165,423,07604,26 15163,116,44702,67 ППО 30-35135144,138,011556,27 25145,030,57704,56 15141,823,74752,87 235157,525,310406,27 25162,816,87104,56 15161,112,54452,78 НГП 30-32135146,142,012804,35 25148,734,710003,30 15143,430,05701,95 235166,323,012804,20 25165,018,59203,27 15163,715,05702,04 По результатам эксперимента был построен ряд зависимостей, связывающих условия переработки полимеров и выходные параметры процесса экструзии. На рис. 4 показана зависимость давления на выходе экструдера от скорости вращения шнека. Из рисунка видно, что при переработке изоляционных марок ПВХ-пластиката (ППИ 30-30, И 40-14, И 40-13) развивается существенно большее давление по отношению к оболочечным (О 40, ППО 30-35, НГП 30-32). На рис. 5 приведена зависимость средней температуры на выходе из формующего инструмента от скорости вращения шнека. Характер нелинейной зависимости средней температуры объясняется влиянием аномалии вязкости материала на диссипацию механической энергии. С ростом скорости вращения шнека увеличивается скорость сдвига в канале экструдера, что приводит к уменьшению эффективной вязкости расплава полимера и, как следствие, к снижению диссипации и температуры. На рис. 6 приведена зависимость расхода от скорости вращения шнека. Зависимость носит практически линейный характер для всех марок ПВХ-пластиката. Из рисунка также видно, что отличия в реологических свойствах материалов оказывают заметное влияние на величину расхода, развиваемого экструдером при одной и той же скорости вращения шнека. Влияние реологических свойств материала на расход носит сложный комплексный характер. На рис. 7 приведена зависимость мощности, потребляемой электроприводом экструдера от скорости вращения шнека, которая также носит практически линейный характер для всех использованных в эксперименте материалов, однако существенно зависит от реологических свойств полимера. В табл. 3 также отражена связь реологических свойств перерабатываемого полимера с выходными параметрами процесса экструзии. На основании табличных данных может быть построена регрессионная модель процесса экструзии для каждого из выходных параметров процесса: где N – значение скорости вращения шнека; Tb – температура корпуса экструдера; Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 – операторы модели. Параметры операторов имитационной модели были определены с помощью метода наименьших квадратов по экспериментальным данным в предположении, что операторы имеют вид . Характер полученных зависимостей для скорости вращения шнека N = 25 об/мин и температурного профиля 1 приведен на рис. 8. Из рис. 8 видно, что реологические свойства перерабатываемого полимера имеют существенное влияние на выходные параметры процесса экструзии. Так, давление на выходе экструдера значительно возрастает с ростом начальной вязкости полимера (см. рис. 8, а). Увеличение температурного коэффициента вязкости также заметно приводит к росту давления на выходе экструдера (см. рис. 8, а, б). На величину расхода влияют как аномалия вязкости, так и начальная вязкость, однако влияние температурного коэффициента вязкости здесь значительно преобладает (см. рис. 8, в, г). Мощность на валу экструдера уменьшается при уменьшении показателя аномалии вязкости, что объясняется снижением диссипации механической энергии при усилении аномального поведения расплава (см. рис. 8, д, е). Средняя температура на выходе экструдера возрастает с ростом и , так как в этом случае возрастает и диссипация энергии в более вязком расплаве (см. рис. 8, ж, з). Существенное влияние на среднюю температуру расплава оказывает и температурный коэффициент вязкости, с ростом которого она увеличивается.

About the authors

Andrey Evgen'evich Terlych

Email: ktei@pstu.ru

Nataliya Mikhaylovna Trufanova

Email: ktei@pstu.ru

Aleksey Grigor'evich Shcherbinin

Email: ktei@pstu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 15

PDF (Russian) - 7

Refbacks

• There are currently no refbacks.