Введение
Большоезначение в последнее время приобрели методы создания композиционных материалов(КМ) с ценным комплексом свойств.
Успехи,достигнутые в этой области, позволяют говорить о появлении нового классаконструкционных материалов, способных не только конкурировать с традиционнымиматериалами, но и поднять на качественно новый уровень машиностроение,строительство, электронику и другие отрасли.
Быстроеувеличение производства КМ уже сегодня сопровождается заметным сокращениеммощностей в металлургии во многих экономически развитых странах. По оценкамспециалистов, производство КМ в 2005 году только в развитых странах достигло 3млн. т. На КМ сегодня приходится более 15% стоимости всех используемых конструкционныхматериалов.
В настоящеевремя наибольшее распространение получили КМ на полимерной основе, причем вкачестве матрицы используют все известные гомо- и гетероцепные полимеры,наполнителей – органические и неорганические соединения.
Применениегетероцепных полимеров обусловлено наличием в их цепи химически активных групп,в результате чего композиты, изготовленные на их основе, обладают высокимимеханическими свойствами благодаря более прочному каркасу. Однако по стоимостиони существенно превосходят композиты на основе гомоцепных полимеров.
Для экономикилюбого производства важно использование более дешевых материалов без потериэксплуатационных или физико-химических характеристик продукта.
Цельюнастоящего проекта является разработка композита на основе более дешевыхкомпонентов и технологической схемы его производства. Для получения болеевысоких характеристик продукта были использованы современные достижения вобласти модификации исходных материалов и соответствующая техника.
1. Аналитический обзор
1.1 Общее представление о композиционных материалах (КМ)
1.1.1 Понятие КМ
Композиционные материалы представляют собой многофазные системы,полученные из двух или более компонентов и обладающие новым сочетанием свойств,отличным от свойств исходных материалов, но с сохранением индивидуальностикаждого компонента. [1]
композиционный материал техника прогрессивный
1.1.2 Состав КМ
Простейший композит состоит из наполнителя и полимерной матрицы.
В большинствеслучаев компоненты композиции различаются по геометрическому признаку. Один изкомпонентов может быть непрерывным по всему объёму КМ или в объёме, существеннопревышающем объём минимальных составляющих второго компонента. В этом случаенепрерывный компонент называется матрицей, а наполнитель, являющийсяпрерывистым, разъединенным в объёме КМ, – армирующим. Смысл термина «армирующий»расширяется в этом случае и звучит, как «введенный в материал с целью измененияего свойств», а не только «упрочняющий», как его обычно понимают. Делениекомпонентов КМ на матричный или армирующий не имеет смысла, если оба компонентаравнозначны по геометрическому признаку.
С точкизрения размерности частиц наполнителя композиционные материалы в свою очередьподразделяются на макрокомпозиционные (размеры частиц дисперсной фазы более 10-6 м.) имикрокомпозиционные (размеры частиц дисперсной фазы лежат в интервале 10-810-6 м.). Если в материале можно выделить одну или несколько дисперсных фазс размером частиц не менее 10-6 мили если материал состоит из двух или более непрерывных фаз, то его следуетотносить к макрокомпозиционным материалам. Когда дисперсные фазы материаласостоят из частиц с наибольшими размерами 10-6-10-8 м, и из однойнепрерывной фазы, то он относится к микрокомпозиционным материалам. Большинствопромышленных композиционных материалов относятся к макрокомпозиционнымматериалам, в котором одна фаза является полимерной. [1]
Гранулометрический составоценивается по дисперсности и однородности.Дисперсность характеризует размер частиц в единицах длины. Дисперсность влияетна производительность экструзионных машин. Так, при очень больших размерахчастиц, когда они превышают глубину нарезки в зоне загрузки, затрудняетсязаполнение винтов шнека гранулами и ухудшается питание агрегата полимером.Однородность материала влияет на технологичность, точность дозирования,насыпную плотность, стабильность размеров. Чем выше однородность, тем лучшекачество композита. [1]
1.1.3 Отличительные признаки КМ
В настоящее время не существует общепринятого определения КМ,считают, что материалы должны обладать следующей совокупностью признаков:
1) состав, форма и распределение компонентов материалаизвестны заранее;
2) материал не встречается в природе, а создан человеком;
3) материал состоит из двух или более компонентов, различающихсяпо своему химическому составу и разделенных в материале выраженной границей (границараздела);
4) свойства материала определяются каждым из его компонентов,которые должны присутствовать в достаточно больших количествах, то есть не ввиде примеси;
5) материал обладает такими свойствами, которых не имеют его компоненты,взятые в отдельности;
6) материал является неоднородным в микромасштабе и однороднымв макромасштабе.
Последний признак предполагает тот факт, что любые произвольно выбранныеэлементарные образцы КМ (такие образцы, все размеры которых существеннопревышают минимальные размеры компонентов материала) должны иметь в среднемодин и тот же химический состав. Таким образом, КМ характеризуются«повторяющейся» геометрией или равномерным распределением компонентов поотношению друг к другу.
Этот признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали спокрытиями, сотовые изделия, являющиеся скорее конструкциями, чем материалами.Этот же признак позволяет уточнить понятие элементарного образца КМ – такогоминимального объёма материала, который характеризуется всем комплексомопределяющих его признаков. В самом общем случае элементарный образец КМ должениметь размеры, существенно превышающие минимальный размер компонентов. С этихпозиций такие объекты, как моноволокно, окруженное достаточным количествомвторого компонента, или монослой из волокон, объединенных вторым компонентом,не являются элементарными образцами КМ. Реальное механическое поведениемикрообразцов в виде волокон с покрытием или монослой при различных видахнагружения существенно отличается от механического поведения элементарных илиболее крупных образцов КМ. Их характерной чертой является равномерноераспределение нагрузки на более прочном и жестком компоненте и торможениеразвития разрушающей трещины на внутренних поверхностях раздела. Микрообразцы материала,представляющие собой элементарную ячейку КМ или их простую совокупность, несоответствуют пятому признаку КМ. [1]
1.1.4 Классификация КМ
В зависимости от вида армирующего компонента КМ могут быть разделенына две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаютсяструктурой (внутренним строением) и механизмами образования высокой прочности.
Дисперсно-упрочненные КМ представляют собой материал, в матрицекоторого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. Втаких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой спомощью не растворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура,эффективно сопротивляющаяся пластической деформации. Вязкий нехрупкий материалперед разрушением претерпевает значительную деформацию. Причем пластическиедеформации в реальных кристаллических материалах начинаются при напряжениях,которые меньше, чем теоретически рассчитанные для идеальных материалов примернов 1000 раз. Такая низкая прочность по сравнению с теоретической объясняетсятем, что в пластической деформации активно участвуют дислокации – локальныеискажения кристаллической решетки. При деформации благодаря дислокациям сдвигатомов в соседнее положение происходит не одновременно по всей поверхностискольжения, а растягивается во времени. Такое постепенное скольжение за счет небольшихсмещений атомов в области дислокаций не требует значительных напряжений, что ипроявляется при испытаниях пластичных материалов. Упрочнение таких материаловзаключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокаций. Проблемаповышения конструкционной прочности состоит не только в повышении прочностныхсвойств, но и в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивлениевязкому разрушению, то есть повысить надежность материала. Вдисперсно-упрочненных КМ заданные прочность и надежность достигаются путемформировании определенного структурного состояния, при котором эффективноеторможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объёмематериала или с подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращенияхрупкого разрушения. Упрочнение дисперсными частицами позволяет достигатьпредела текучести уT=10-2G, где G – модуль сдвига. При нагреве до Т=(0,6–0,7)*Тпл прочность резко снижается. При нагреве до Т= (0,6–0,7)*Тплпрочность резко снижается. [2]
Армирование полимеров волокнамипозволяет получатьвысокопрочные полимерные композиты. Все виды применяемых для этих целей волокондефицитны и дороги, однако возможно и экономически целесообразно комбинироватьволокна с дисперсными наполнителями для получения оптимума свойств и минимальнойстоимости материала.
Обычноиспользуется два типа наполнителей для термопластов – волокнистые и порошковые.Наполнение термопластов минеральными порошками экономически очень выгодно.Наиболее распространенными волокнистыми наполнителями являются стеклянные иасбестовые волокна, а порошковыми – тальк, древесная мука. При этом наполнительобразует дисперсную фазу в термореактивной полимерной матрице. Основная цельвведения в термопласты порошковых наполнителей – увеличение жесткости истойкости полимера к длительным нагрузкам.
Так, введениеталька в полипропилен увеличивает модуль упругости при растяжении. Однако принаполнении тальком полипропилена прочность при растяжении не улучшается, аударная прочность даже снижается. Поэтому очевидно, что термопласты,наполненные минеральным порошком, следует применять весьма ограниченно дляпроизводства изделий, от которых требуется жесткость и твердость, и которыевоспринимают длительные нагрузки, а для изделий, подвергающихся действиюударных нагрузок, они и вовсе не пригодны. Введение 40% талька в полипропиленприводит к тому, что его свойства становятся близкими к свойствам (в первуюочередь, жесткости и ударной вязкости) ударопрочного полистирола.
Поэтомунаполненный тальком полипропилен применяется для производства разнообразныхпредметов широкого потребления и деталей мебели. Более широкое применение дляпроизводства изделий такого типа объясняется, прежде всего, его низкойстоимостью по сравнению с другими материалами аналогичной жесткости. Однакоизменения цен на материалы, происходящие, главным образом, из-за сложившейся вмире ситуации с сырьем, могут привести к тому, что термопласты, наполненныеминеральными порошками, в частности ПП, наполненный тальком, найдут болееширокое применение для производства изделий такого типа. [2]
1.1.5 Основныесвойства конструкционных материалов
Структурной основой полимерных молекул является гибкая линейнаяцепь, образованная из n звеньев длинной l0. Каждое из них связано с предыдущем звеном так,чтобы обеспечивалось полное свободное вращение. Это позволяет принимать каждомузвену любые направления относительно предыдущего, поэтому такая цепь можетпринимать очень большое число конформаций. Полимеры могут быть разделены на двегруппы: полностью аморфные и кристаллические. Некоторые полимеры полностьюаморфны при любых условиях; кристаллические полимеры, могут быть аморфны приопределенных условиях (выше точки плавления или если полимер быстро охлажден израсплавленного состояния). [3]
К числу основных свойств полимеров и композитов на их основеотносят текучесть, прочность и упругость.
Текучесть полимеров. Текучестьхарактеризует способность полимеровк вязкому течению при воздействии внешних усилий и численно равна обратной величиневязкости 1/n(где n-вязкость).О текучести полимерных материалов судят по показателю текучести расплава. Запоказатель текучести расплава принимается масса полимера, выдавленная в течение10 мин. через формующую головку под давлением и при заданной температуре.Показатель текучести расплава i (в г/10 мин.) рассчитывают по формуле:
i=10Q/t,
где Q – масса полимера, г; t – время выдавливания, мин. Показатель текучестирасплава является сравнительной характеристикой, однако, он широко используетсяна практике. По значению показателя текучести расплава проводится выбор методапереработки полимера. Для переработки методом экструзии показатель текучестирасплава равен 0,3–1,2 г/10 мин (низковязкий полимер).
Прочность –способностьматериаласопротивляться в определенных пределах разрушению и остаточнымдеформациям от механических воздействий. Прочность твердых тел определяетсястроением вещества.
Упругость–свойство тел изменять свой объем и форму под влиянием физического воздействия.
Механические свойства высокопрочных материалов определяются наличиемповерхностных дефектов (надрезов, трещин и т.п.). Около вершин этих дефектовпри нагружении концентрируются напряжения, которые зависят от приложенногоусилия, глубины трещины и радиуса кривизны в вершине трещины.
Для хрупких материалов коэффициент концентрации напряжений равен102–103. В этом случае при действии даже небольшихнапряжений у вершины трещины растягивающие напряжения достигают предельныхзначений, и материал разрушается. Существует критическая длина трещины, прикоторой проявляется тенденция к её неограниченному росту, приводящая кразрушению материала.
Важно, что соответствующее критическое напряжение зависит от абсолютногоразмера трещины и оно тем выше, чем меньше длина трещины. Изделие с высокойпрочностью может быть получено путем объединения параллельных волокон в канат.Напряжения между отдельными волокнами создаются вследствие трения скольжения,возникающего при растяжении каната. В процессе эксплуатации волокна в канатеизгибаются, трутся и их прочность падает.
Например, высокопрочные волокна (стеклянные, углеродные, борные)очень чувствительны к поверхностным напряжениям и их нельзя применять вканатах, не использовав среду, которая связала бы их воедино. Когда применяютсякороткие волокна, которые объединяются связующим, то сохраняется принципволокнистого армирования.
Этот принцип состоит в том, что при нагружении КМ на границераздела матрицы с волокном возникают касательные напряжения, которые вызываютполное нагружение волокон.
В КМ сочетаютсядва противоположных свойства: высокий предел прочности и достаточная вязкостьразрушения. Высокая прочность достигается за счет использования хрупкихвысокопрочных волокон, а достаточная вязкость разрушения обусловленапластической матрицей и специфическим механизмом рассеивания энергии разрушенияКМ. Кроме того, в традиционных сплавах удельная жесткость (E/d) практическиодинакова, а в КМ она увеличивается на 100–200%. Это позволяет существенноснизить массу конструкций. [3]
Релаксационныесвойства первичного и вторичного полимера.
Известно, чтопроведение изменений релаксации напряжений при различных температурах позволяетнаиболее полно охарактеризовать механическое поведение полимерных материалов.
Для детальнойоценки проведены испытания на релаксацию напряжений в широком интервалетемператур (для ПМ 20–120°С). Исследовали первичный и вторичный ПМ (изупаковочного материала) проводилась на приборе Регель – Дубова.
Процессрелаксации напряжения происходит в результате взаимодействия и диффузии кинетическихединиц – релаксаторов. Релаксаторами могут быть различные атомные группы,повторяющиеся звенья, более крупные фрагменты, микрополости, концентраторынапряжения.
Полимерныйматериал можно рассматривать как состоящий из релаксаторов и нерелаксаторов,причем подавляющая часть материала после «мгновенного» задания деформациисостоит из релаксаторов, взаимодействующих между собой с образованиемнерелаксирующего материала.
Наиболееважными характеристиками в смысле работоспособности КП являются изменениесдвига у0 или начальный модуль Е0, которые развиваютсяпосле окончания «мгновенного» задания деформации, а также квазиравновесноенапряжение у∞ или модульE∞.
Сравниваяповедение первичного и вторичного ПП, можно отметить, что у0 и у∞для вторичного ПП при всех температурах примерно в 2 раза выше, чем дляпервичного. Таким образом, вторичный ПП является более жестким, чем первичный.Практически это означает, что вторичный ПП может не только успешноиспользоваться для изготовления различных материалов, но и для изготовленияболее жестких конструкций, выдерживающих существенные напряжения, неразрушаясь, длительное время. [4]
1.1.6 Классификация методов переработки полимеров в композиты
В настоящее время изделия из пластических масс производят весьмаразнообразными методами. При этом выбор метода изготовления изделий обусловленвидом полимера, его исходным состоянием, а также конфигурацией и габаритамиизделия.
Изделия из расплавов или растворов термопластичных полимеров изготавливаютэкструзией (непрерывное выдавливание расплава), литье под давлением (заполнениерасплавом полости формы), выдуванием (для пустотелых изделий), спеканием,напылением и т.д.
Наиболее приемлемую классификацию предложил Мак-Келви.
В основу этой классификации положено категорирование методов, основанноена протекании только физических процессов; методов формообразования, которыезаканчиваются химическим превращением и комбинированные методы, в которыхпротекают и физические, и химические превращения.
В первую группу объединены такие методы, как экструзия, каландрование(течение между валками), литье под давлением, т.к. в процессе формообразованияпротекают физические превращения.
В качестве исходного сырья используют гранулированные композициина основе термопластичных полимеров. Вторая группа методов переработки(спекание, окунание) имеет общие процессы. Здесь изделия изготавливаются изпорошкообразной пасты с последующим спеканием.
Для последней группы характерны общие закономерности протеканияреакций поликонденсации или полимеризации. Мономер смешивают с инициатором иликатализатором, заливают в жидком виде в форму, где вследствие химическойреакции происходит образование полимера. [2]
Наиболее распространенные методы переработки представлены на рис. 1.1.
1.1.7 Аппаратура для изготовления КМ
Наиболее интересующий нас метод – это процесс экструзии. Экструзия– метод формования в экструдере изделий или полуфабрикатов неограниченной длиныпродавливанием расплава полимера через формующую головку с каналаминеобходимого профиля. Аппаратура для изготовления КМ – это экструдер.Это устройство, внутри которого исходное сырье преобразуется для придания КМзаданных для процесса формообразования показателей вязкости, однородности иплотности. По устройству и принципу работы основного узла, продавливающегорасплав в головку, экструдеры подразделяются на шнековые, бесшнековые икомбинированные.
/>
Рис. 1.1 – основные методы переработки композиционныхматериалов
Шнековые экструдеры могут быть различных типов: одно- и двухшнековые;одно- и двухступенчатые; универсальные и специализированные; с осциллирующим(вдоль оси) и одновременно вращающимся шнеком; с зоной дегазации и без нее; свращением шнеков в одну и в противоположные стороны, и т.п. Наиболее простымявляется одношнековый экструдер без зоны дегазации Основными элементамиэкструдера являются обогреваемый цилиндр, сетки, размещаемые на решетке, иформующая головка. В зависимости от природы полимера, технологических режимовпереработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различнымхарактером изменения глубины (h) нарезки по длине шнека.
Шнек (от нем. Schnecke, буквально – улитка), винтовой конвейер, механизм,рабочий орган которого представляет собой стержень со сплошной винтовой стенкой(винт) или отдельными наклонными лопастями. Вращающийся стержень, помещенный вгоризонтальный или наклонный жёлоб, перемещает сыпучий или мелкокусковой груз,а также жидкость вдоль жёлоба. Применяется в экструдерах, питателях и другихмашинах, отличается простотой устройства и равномерностью подачи, но небольшойпроизводительностью и невысоким кпд из-за потерь на трение материала о стенки.Подача регулируется частотой вращения винта.
Вотдельных случаях переработки пластмасс применяются бесшнековые экструдеры,в которых рабочим органом, продавливающим расплав в головку, является дискособой формы. Движущая сила, продавливающая расплав, создается в них за счетразвития в расплаве нормальных напряжений, направленных перпендикулярнокасательным, совпадающим с направлением вращения диска. Дисковые экструдерыприменяются, когда необходимо получить улучшенное смешение компонентов смеси.
Из-заневозможности развивать высокое давление формования такие экструдерыприменяются для получения изделий с относительно невысокими механическимихарактеристиками и небольшой точностью геометрических размеров.
Комбинированные экструдеры имеют вкачестве рабочего органа устройство, сочетающее шнековую и дисковую части, иназываются червячно-дисковыми. Применяются для обеспечения хорошегосмесительного эффекта, особенно при переработке композитов. На нихперерабатываются расплавы пластмасс, имеющие низкую вязкость и достаточновысокую эластичность.
Приизготовлении изделий методом экструзии в полимерах протекают в основномфизические процессы, например, переход полимера из одного физического илифазового состояния в другое. В зависимости от характера процессов, протекающихв экструдере, обычно выделяют три рабочие зоны: загрузки, плавления идозирования. За зону загрузки обычно принимают длину шнека от загрузочногоотверстия до места появления слоя расплава на поверхности цилиндра или шнека.
Дляперемещения полимера необходимо, чтобы крутящий момент от действия силы тренияна поверхности цилиндра был больше, чем на поверхности шнека. Зона плавления –это участок шнека от начала появления расплава до полного плавления слоя гранулили неполного плавления, но нарушение оставшегося твердого слоя гранул начасти, распределение его в расплаве, и перехода на движение расплава за счетвязкого течения.
Взоне дозирования происходит окончательное плавление оставшихся частиц,выравнивание температуры расплава полимера по сечению и его гомогенизация, т.е.тщательное перемешивание расплава и придание ему однородных свойств за счетсдвиговых деформаций вязкого течения в каналах шнека.
Экструдерыбывают двух видов: одношнековые (одночервячные) и многошнековые(многочервячные).
Обычно конструктивные характеристики червяка подбираются так, чтоон подходит для переработки только одного материала. Конструкция червяка должнасоответствовать свойствам перерабатываемого материала.
Кроме того, она должна сочетаться с данной комбинацией материала иголовки. Таким образом, для переработки одного материала приходитсяиспользовать несколько червяков.
Со второй половины 30-х годов термопласты стали более доступны, чтобыих переработать, необходимо было создать новый тип экструдера, так как свойстватермопластов сильно отличаются от свойств резины. Однако для переработкитермопластов требуются высокие давления и температуры, но при высокихтемпературах они легко разлагаются, материал налипает на червяк. Поэтому для переработкитермопластов необходим принудительный механизм подачи материала и применениедвух- или многочервячных машин со взаимозацепляющимися червяками.
Для получения композиционных материалов применяют двухчервячныйэкструдер, червяки которого находятся во взаимном зацеплении друг с другом.Червяки вращаются в одну сторону, благодаря этому витки червяков очищаются друго друга и не происходит налипания материала на червяки. [5]
Режущие устройства, бывают двух типов:
Подводного типа – центробежное режущее устройство и режущееустройство надводного типа – применяют при малых производительностях.
Виброкавитационная коллоидная мельница.
Измельчитель состоит из корпуса, статора, и ротора. Статор и роторимеют на поверхности направленные вдоль оси канавки. Подлежащий измельчению материалв виде суспензии поступают через штуцер в кольцевой зазор между ротором истатором и выходит через штуцер при вращении ротора частицы материала, двигаясьот канавок ротора к канавкам статора, совершают колебания высокой частоты.
При диаметре ротора измельчителя 0,5 м и частоте вращенияоколо 18000 об/мин частота колебания частиц близка к ультразвуковым. Такиеколебания материала в сочетании с диспергирующей средой и обуславливают высокуюстепень измельчения.
Для охлаждения или нагрева измельчителя предусмотрена специальнаярубашка. Теплоноситель подается и выводится через штуцер.
Производительность измельчителя диаметром 0,5 м составляет посуспензии 500–700 кг/ч (размер конечных частиц от 10-6 до 10-9 мкм),потребляемая мощность около 60 кВт.
1.1.8 Области применения композитов
По мере развития технического прогресса возрастает необходимостьразработки новых конструкционных материалов. В настоящее время перспективыразвития машиностроения в значительной степени связывают с разработкой ишироким применением композиционных материалов. Композиционные материалы обладаюткомплексом свойств и особенностей, которые отличают их от традиционныхконструкционных материалов, и, прежде всего от металлических сплавов.Объективные потребности развития различных отраслей техники обусловили созданиеновых композиционных материалов с высокой прочностью и большими значениями модуляупругости на металлической, керамической, полимерной и прочих матрицах. [2]
В настоящеевремя существуют различные возможности комбинирования веществ для получения КМ.Существующие комбинации представлены в табл. 1.
Таблица 1 –Основные сочетания компонентов композитовКомбинация основных веществ Вид Применение и преимущества Металл – металл Дисперсионно отверженные сплавы Высокотемпературная прочность, коррозийная устойчивость. Металл – неорганическое вещество
Нити монокристаллов в металле;
Металлы, покрытые керамическим слоем. Прочность, термостойкость, коррозийная устойчивость. Неорганическое вещество – Неорганическое вещество Слюда в стекле Изоляция. Металл – органическое вещество. Метал. нити в пластмассе Формовочная масса высокой прочности, коррозийная устойчивость, Изоляция. Неорганическое вещество – органическое вещество Тальк в пластмассе; пластмассы усиленные стекловолокном, порошковые включения Бытовые изделия, облегченные конструкционные детали высокой прочности, изоляционные строительные детали, упаковочные материалы. Органическое вещество – органическое вещество Тефлоновая фибра в пластмассе. Теплоизоляция, немецкие подшипники. Металл – органическое вещество Сотовая конструкция из металла. Облегченные конструкции. Органическое вещество – органическое вещество Древесные волокна в пластмассе Облицовочные материалы
Применениеполимерных композиционных материалов для упаковки, при обработке и хранениитоваров и продуктов является очень широкой областью их использования. [2]
Существуют однослойные и многослойные изделия.
Однослойные материалы представлены в основном пленками, тюбиками,мешками и проч.
Пленочнаяупаковка.Этот способ заключается в упаковке товара с помощью пленки, отформованной методомвакуумного формования и приклеенной к плоскому основанию поливинилацетатнымклеем. Прозрачность пленок пластифицированного ПВХ делает его особенноэффективным упаковочным материалом, если товар должен быть виден в упаковке.Такой способ упаковки резко упростил торговлю многими товарами в современныхуниверсальных магазинах.
Тюбики. Тюбики изпластифицированного часто окрашенного ПВХ широко используются для упаковкиразличных веществ – шампуней, антифризов, стиральных порошков, моющих исмазывающих веществ и т.п. На них методом шелкотрафаретной печати легконаносятся надписи и рисунки. Такие сосуды часто герметически заваривают спомощью высокочастотной сварки. Они являются очень удобным и экономичнымдополнением к традиционной упаковке жидкостей вследствие минимальногоколичества используемого материала и легкости использования.
Мешки. В Великобританиипленочные мешки из пластифицированного ПВХ используются мало, тогда как вИталии, очевидно из экономических соображений, их широко применяют для упаковкиотходов. Основным их недостатком по сравнению с мешками из ПЭНП являетсяохрупчивание пленки ПВХ при длительном хранении или эксплуатации, а также припонижении температуры.
Другиеобласти применения. Пластифицированный ПВХ широко используется как защитный материалпри работе с агрессивными или вредными жидкостями, например для изготовлениязащитных перчаток и фартуков, для облицовки ящиков и сосудов, заменяя резину,нержавеющую сталь, керамику. Хотя его стойкость несколько ниже, чемнепластифицированного ПВХ, тем не менее он является достаточно устойчивымматериалом к действию большинства химических реактивов.
Обычнопластифицированный ПВХ мало используется для получения бутылей методомпневмоформования, этим методом больше перерабатывается полиэтилен. Бутыли изнепластифицированного ПВХ довольно широко используются для упаковки различныхпищевых продуктов, например апельсинового сока или алкогольных напитков дляпассажиров авиации. Однако возможность выделения мономера винилхлоридаограничивает такое применение ПВХ.
Многослойныематериалы:
В качествеупаковки широкое распространение получили полимерные материалы, состоящие изнепрерывной полимерной фазы в сочетании с одной или более непрерывныминеполимерными фазами или из нескольких непрерывных полимерных фаз. Это широкийкласс материалов, состоящий из слоев различных материалов, соединенных принагревании или склеивании, называется многослойными композиционнымиматериалами. К ним относятся также многослойные материалы, получаемые принанесении полимерного покрытия на пленочную подложку.
Многослойныематериалы все шире внедряются в упаковку главным образом в результате возросшихза последние 5–10 лет требований к упаковке и упаковочным материалам вследствиеразвития промышленности и торговли.
Многослойные материалымогут быть получены различными способами. Дублирование пленок склеиваниемосуществляется мокрым способом при использовании жидких клеев в виде растворовв воде или органических растворителях и сухим способом с использованием клеев ввиде расплавов или с удалением растворителя до склеивания. При мокромсклеивании один из слоев материала должен быть проницаемым для пароврастворителей.
Покрытие наподложку (целлофановую пленку, алюминиевую фольгу или бумагу) может наноситьсяэкструдированием расплава композита, его через щелевую головку с прижимомпокрытия к подложке с помощью прижимного и охлаждающих роликов. Этот процессосуществляется непрерывным способом с высокой скоростью, однако он требуетсложного оборудования. Таким же путем можно получать трехслойные материалы,используя расплав полимера в качестве связующего слоя для двух слоев другогоматериала (например, бумаги).
Нанокомпозиционныемашиностроительные материалы на основе полимерных матриц находят все большееприменение при создании герметизирующих устройств, узлов трения машин,механизмов и технологического оборудования, функциональных покрытий.Ассортимент низкоразмерных модификаторов непрерывно расширяется и включаетметаллические, силикатные, углеродные компоненты в виде простых веществ исоединений типа нитридов, карбидов, солей и т.д. [6]
Наиболеесовременным способом получения многослойных материалов является совместная экструзия(соэкструзия) расплавов нескольких полимеров, которые не смешиваются вследствиеламинарности потока расплава и образуют многослойное покрытие. Этот способоткрывает широкие возможности для разработки новых упаковочных многослойныхматериалов с тонкими полимерными покрытиями, обеспечивающими оптимальноесочетание свойств при низкой стоимости материалов и малыми затратами на ихпроизводство. При соэкструзии не наблюдается разрывов пленок в результатепроколов, и разделение одновременно экструдируемых слоев значительно менеевероятно, чем при экструзии отдельных пленок. Использование соэкструзиипозволяет сравнительно просто получать недорогие материалы, удовлетворяющиевсем требованиям дя упаковочных материалов. Так, защита от механических поврежденийдолжна обеспечиваться выбором жесткой подложки типа бумаги или картона.Нанесение на подложку прочного полимерного слоя обеспечит высокую прочность нараздир и разрыв.
Методсоэкструзии позволяет получать чрезвычайно тонкие слои полимеров,обеспечивающих требуемые защитные свойства на дешевой подложке, обуславливающейобщую прочность, необходимую толщину и более низкую стоимость материала посравнению с обычными многослойными или однослойными полимерными пленками.
Применениеполимерных композитов в строительстве за рубежом занимает второе место (послеупаковки) и дает большой технико-экономический эффект как на стадии строительства,так и при эксплуатации объекта. Основная часть КМ представлена гидро-,теплоизоляционными, отделочными и антикоррозионными материалами.
1.1.9Механохимическая активация
Этот способактивации основан на способности твердого тела накапливать подводимую к немумеханическую энергию. Результатом является изменение целого ряда характеристиктвердого тела и, прежде всего химического потенциала.
Химическоепревращение под воздействием поглощения упругой энергии в процессе механическойобработки твердого вещества называют механохимической реакцией.
Механическоевоздействие начинается с измельчения, а заканчивается сильноэкзотермическойреакцией.
Приизмельчении под влиянием деформации сдвига увеличивается число точечныхконтактов, на поверхности материала появляются различные дефекты, трещины,которые постепенно все глубже проникают в объем тела. Миграция дефектов делаетвозможным перемешивание вещества на молекулярном уровне, что значительноинтенсифицирует диффузионно-контролируемые реакции.
Наиболее вероятнымместом реакции являются точки контакта частиц и «носок» движущейся трещины.
Примеханическом воздействии в отдельных участках твердого тела создается поленапряжений. В зависимости от свойств тела, типа и режима обработки релаксациятакого поля может иметь ряд последствий: выделение тепла, образование новыхповерхностей, дефектов в кристаллах, появление короткоживущих активных центров.Помимо этих эффектов трение, раскалывание, разрушение поверхностей вызывает еестатическую электризацию с такой концентрацией заряда, что в материалесоздается электрическое поле с напряженностью, достигающей 107 В.см-1.При ударе возникают локальные градиенты температур (600–8000С) идавлений (2–4 ГПА).
Все вместевзятое генерирует целый ряд химически активных цастиц (ионы, радикалы, и пр.).
Эффективностьмеханического воздействия возрастает при сокращении длительности импульсов иувеличении частоты их следования.
Спрактической точки зрения эти требования реализуются при условиивысокоскоростного удара и вибрационной обработки. Поэтому в качестве реакторовздесь используются аппараты планетарного типа: планетарные и центробежныемельницы, вибромельницы и проч. Эти аппараты работают по принципугравитационного измельчения, которое осуществляется путем взаимодействия двухцентробежных сил. Эти силы превосходят силу тяжести в сотни раз.
1.1.10 Межфазныеявления в полимерах
/>/>Адгезия полимерных материалов к различнымтвердым телам (особенно к металлам) определяется интенсивностью молекулярного ихимического взаимодействия на поверхности раздела.
Хорошуюадгезию проявляют, поэтому полярные полимеры с большим числом химическиактивных функциональных групп в макромолекулах.
/>Значительно слабее адгезия в случаенеполярных (гомоуглеродных) полимеров (полиэтилен, полипропилен). Для повышенияадгезии в случае неполярного полимера вводят активные добавки, усиливающиеадгезионную связь с поверхностью вследствие образования, ориентированногоадсорбционного слоя, хемосорбционно-связанного полярными группами снаполнителем и углеводородными цепями, проникающего в пленку. [7]
Адгезиярастет с уменьшением молекулярного веса и разветвленности цепей при сохранениигибкости и подвижности звеньев. В модельных композициях можно выделить трихарактерных типа веществ (рис.): вещество частицы – (Ч), связующего (С) ипограничный слой к частице (защитный слой, П). Известно, что даже при небольшойконцентрации наноразмерных частиц модификатора (до 0,1% масс.) свойствакомпозита на основе полимера существенно изменяются, (износостойкость,прочностные характеристики увеличиваются на 20–30%).
/>/>/>/> П
/>/>/> Ч
С
При созданиикомпозита трудно достичь равномерного распределения частиц по объемусвязующего.
Известно, чтонизкоразмерные частицы обладают собственным нескомпенсированным зарядом сбольшим временем релаксации. Тогда вокруг заряженной частицы модификаторавозникает ансамбль (кластер) поляризованных частиц среды. Эти кластеры могутпривести в движение большое количество нейтральных молекул жидкости, посколькуотносительная концентрация зарядов в жидкости мала (10-6 ч 10-1).
Эти молекулымогут поляризоваться, находясь в электрическом поле частицы и вступать вовзаимодействие с зарядом, образуя структуру «заряд-слой» диполей. Внешняяоболочка этой структуры создает вокруг себя новый слой диполей и т.д. донекоторого равновесного формирования – «зарядового кластера».
Расчетыпоказывают, что размер модифицированной частицы по толщине составляет -400 нм.Тогда для всего объема полимера радиус частицы модификатора может быть равным25–30 нм. Эти размеры могут быть получены известными технологическимиспособами.
На рис.показана предполагаемая топологическая модель межфазных взаимодействийнаполнителя с полимерной матрицей.
/>
Рис. 1.2– Предполагаемая топологическая модель межфазного взаимодействия
В основеформирования структуры композита лежит сложная совокупность химико-физических ифизико-химических взаимодействий, приводящих к образованию межфазных областей испособствующих упрочению материала.
К первымследует отнести взаимодействия химически активных связей функциональных групп ирадикалов между собой и фрагментами дисперсионной среды.
Ко вторым –адгезионные и адсорбционные взаимодействия полимера и наполнителя на активныхцентрах развитой поверхности раздела фаз и далее формирование одно- имногослойных пограничных слоев за счет диполь – дипольного взаимодействиясоседних частиц.
При этомпервый вид взаимодействия преимущественно происходит в пограничных слоях междучастицами дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Особую роль вупрочении структуры играют межфазные области. Межфазные области в полимерныхкомпозита являются важным элементом структуры, во многом определяющиммакроскопические свойства этих материалов. [8]
Была сделанапопытка анализа структурного механизма формирования межфазных областей длянанокомпозитов на основе ПП.
И полимернаяматрица нанокомпозита, и поверхность частиц наполнителя, взаимодействующих приформировании межфазного слоя, являются фрактальными объектами.*Привзаимодействии таких объектов существует только один линейный масштаб ℓ**,определяющий расстояние их взаимопроникновения.
Поскольку вполимерных композитах модуль упругости наполнителя обычно выше этого показателядля полимерной матрицы, считают что в этом случае происходит внедрениенаполнителя в полимерную матрицу.
Наблюдаетсяснижение прочности нанокомпозитов на основе ПП с ростом содержания наполнителя,так как прочность зависит от межфазных адгезионных сил на границе полимернаяматрица-наполнитель.
Очевидно, чточем выше уровень межфазной адгезии, тем совершеннее структура межфазныхобластей в композитах. Так, прочность на сдвиг определяется именно адгезионнойпрочностью межфазного слоя. Увеличение сил межфазной адгезии приводит к ростуотносительной доли межфазных областей и, следовательно, к повышению прочностинанокомпозита.
Изменениеобъема, занимаемого межфазными областями в полимерных нанокомпозитах, оказываеттакое же существенное влияние на вариации механических свойств, как иконцентрация наполнителя. При этом важной является геометрия частиц наполнителя,точнее площадь контакта полимер-наполнитель. Важно, где реализуются межфазныеявления и формируются межфазные области. Существенную роль в механизмеупрочнения играют агрегация частиц наполнителя и молекулярная структура полимернойматрицы.
Обнаруженоувеличение предела текучести примерно в 1.5 раза для нанокомпозита по сравнениюс исходным ПП. Одновременно возрастает модуль упругости и увеличивается длинналинейных дефектов, ответственных за пластические деформации. [8]
2. Выводыпо аналитическому обзору
1. Мировоепроизводство композиционных материалов возрастает, и их ассортимент непрерывнорасширяется.
2. Ассортименткомпозитов представлен двумя разновидностями материалов, изготовленных на ихоснове гомо- и гетероцепных полимеров.
3. В качественаполнителей применяют широкий спектр органических и неорганических соединенийпорошкового, волокнистого и слоистого типов.
4. Сцелью повышения адгезии в рецептуру композитов вводят модификаторы,преимущественно для случая использования в качестве матрицы неполярных илималополярных полимеров.
5. Возрастаетчисло публикаций в отраслевой периодике, посвященных исследованию композитов,приготовленных методами нанотехнологии.
6. Интенсивновнедряются новые методы активации систем, включающие сонно-, механо-, крио-,фото- и прочие воздействия.
3.Патентная проработка темы
Для проведения патентных исследованийопределяется предмет поиска по теме дипломной работы подлежащей исследованию.
Поиск проводится по данным сети Интернет (www.fips.ru).
Предмет поиска«Производство композиционных материалов».
Цель:установление уровня развития техники и анализ применимости прогрессивныхрешений в дипломном проекте.
Всоответствии с содержанием темы выбраны следующие индексы:
С08L95/00; С08L97/02, С08L17/00, С08J5/00, B27L11/02, B29C49/12
Патентные исследования проводились повыбранному индексу Международной классификации изобретений МПК на глубину 10лет (с 2007 вглубь без пробелов).
Номераохранных документов представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Номераохранных документов Индекс МПК (51) Номера охранных документов (11), (21) Номер БИ, год издания (45) Название изобретения (54) 1 2 3 4 С08L97/02
2240334 2007.01.20
Композиция на древесной основе С08L95/00
95114379 2002.06.25
Способ получения битумной композиции С08L97/02
2003118707 2004.12.20
Композиция на древесной основе С08L17/00
2223990 2004.03.12
Битумно-резиновая композиция С08J5/00
2266925 2005.05.6
Способ изготовления изделий из композиционных материалов С08L95/00; С08L97/02
2277554 2006.01.10
Пресс – композиция для изготовления композиционных материалов B27L11/02
200115083 2007.04.27
Способ определения толщины щепы B29C49/12
2299134 2007.05.20
Экструдер.
Послепредварительного анализа были выбраны изобретения, представляющие интерес длярассматриваемой темы. К исследуемой теме наиболее близкое отношение имеютследующие изобретения:
1. (21) 2003118707, (22) 2003.06.25, (51) C08L97/02
(72) Стернин Ю.И.,Юрченко И.В., Загоруйко А.Д.
(54) Композиция на древесной основе
(57) Композиция на древесной основе, включающая связующий компонент, отличающаясятем, что в качестве древесной смолы используют предварительно разделенную набересту и луб и измельченную до 0,1–59 ммберезовую кору, в качестве связующегокомпонента применяют экологически безопасные вещества при следующем соотношениисоставляющих масс, %:
Древеснаяоснова 5–99%
Связующийкомпонент 1–95%
2. Композицияпо п. 1, отличающаяся тем, что древесная основа выполнена из бересты.
3. Композицияпо п. 1, отличающаяся тем, что древесная основа выполнена из луба.
4. Композицияпо п. 1, отличающаяся тем, что древесная основа выполнена из смеси луба ибересты при заданном соотношении составляющих
5. Композицияпо п. 1, отличающаяся тем, что в качестве связующего компонента используютталовое масло или талловый пек.
6. Композицияпо п. 1, отличающаяся тем, что включает функциональную добавку.
2. (11) 2240334,(22) 2002.06.25, (51) C08L97/02
(72) Стернин Ю.И.,Юрченко И.В., Загоруйко А.Д.
(54) Композиция на древесной основе
(57)Изобретение относится к производству экологически безопасных строительныхэлементов, материалов и покрытий, используемых в строительстве, мебельнойпромышленности, для производства тары, гранулированного и брикетного топлива ит.д. Изобретение может быть использовано для изготовления различныхстроительных элементов: прессованного конструкционного бруса, плит, блоков,панелей, черепицы, профильных и корпусных изделий, покрытия спортивныхплощадок, паркетной доски, засыпных материалов, теплоизоляции, звукоизоляции,влагоизоляции, для нанесения покрытия с помощью кисти, шпателя или другимизвестным способом на поверхности, для изготовления европоддонов,приспособлений для гольфа и т.д. Композиция на древесной основе включаетэкологически безопасный связующий компонент. В качестве древесной основыиспользуют березовую кору, разделенную на бересту и луб, измельченные до 0,1–50 мм.Кроме того, древесная основа может быть выполнена только из бересты, или толькоиз луба, или из смеси бересты и луба, при заданном соотношении компонентов. Вкачестве связующего компонента может быть использовано таловое масло илиталовый пек. Определенное соотношение компонентов обеспечивает повышениеплотности, прочности, водостойкости и стойкости против микроорганизмов игрибков изделий, полученных из предложенной композиции при одновременномснижении их токсичности при изготовлении и эксплуатации
3. (11) 2299124,(22) 2006.06.10, (51) В29С47/12
(72) Окулич Е.Г., Остриков Н.О., Глухов Д.А.
(54) Экструдер
(57)Изобретение относится к экструзионному оборудованию и может быть использованодля производства экструдированных пищевых продуктов, а также в других отрасляхпромышленности, применяющих экструзию.
Устройствосодержит корпус, шнек с приводом вращения и формующую головку с мундштуком иконическим дорном. Конический дорн снабжен валом и выполнен сборным из двухчастей. Каждая из частей дорна выполнена с направления и скорости вращения спомощью соосных валов и редуктора.
Один из валоввыполнен сплошным и расположен в другом полом валу. Мундштук имеет возможностьсовершать возвратно-поступательное движение вдоль оси экструдера с помощьюреечного механизма и шлицов. Шлицы находятся на внутренней поверхностимундштука. В них расположены направляющие, жестко соединенные с поверхностьювыходного конца корпуса экструдера.
Форманаправляющих на корпусе экструдера повторяет форму шлицов на мундштуке так, чтонаправляющие входят в шлицевые пазы мундштука.
Зубчатоеколесо реечного механизма, жестко закрепленное на своем валу, находится взацеплении с рейкой, жестко прикрепленной к мундштуку. Углы конусностивнутренней части мундштука и конического дорна подобраны так, чтобы зазор междуними имел форму конического кольцевого канала.
Внешняяповерхность последней части дорна и внутренняя поверхность конусной частимундштука имеют накатку для получения продукта требуемой формы. Изобретениепозволяет получать экструдированный продукт, не требующий дальнейшегоизмельчения, повысить качество готового продукта.
Патентныеисследования по фонду изобретений показали, что тема разработана достаточнохорошо. Однако, внимание разработчиков к исследуемой теме неравномерно погодам. Пик изобретательской деятельности приходится на 2004 год.
Изобретения,представленные в табл. 2 (10 шт.), касаются «способа вещества» (состав) и«устройства», как объект изобретений.
Длядетального анализа отобрано три изобретения, имеющих непосредственное отношениек исследуемой теме. В них разработаны различные способы изготовлениякомпозиционных материалов, при этом решаются задачи усовершенствования этогоспособа путем модернизации оборудования, технологии получения материалов.
Израссмотренных устройств интересен патент №2299124. Изобретение позволяетполучать экструдированный продукт, не требующий дальнейшего измельчения,повышается качество готового продукта за счет усовершенствования установки.
Израссмотренных способов интересен экологтчески безопасный метод (21) 2003118707«Композиция на древесной основе», в котором применяют экологически безопасныевещества.
Наиболееусовершенствованным способом получения композиционных материалов, по сравнениюс (21) 2003118707, является (11) 2240334 «Композиция на древесной основе», вкотором применяют и экологически безопасные вещества, и одновременно снижаетсятоксичность при изготовлении и эксплуатации.
4. Обоснование инженерных решений
4.1 Инженерныерешения, положенные в основу проекта
Всуществующую технологическую схему производства композитов на основеполипропилена, внесены следующие изменения:
1. использован,взамен добавок модификатора метод механохимической активации композитовисходного сырья, обеспечивающий наноразмерность наполнителя, полярностьфрагментов полимерной цепи и упрочнение нанокомпозита за счет возросшей адгезииполимерной матрицы к наполнителю и образование химической связи между ними.
2. использованосовременное перерабатывающее оборудование:
высокопроизводительныйдвухшнековый экструдер, обеспечивающий заданные параметры процесса дляформирования структуры композита;
режущееустройство, обеспечивающее экологичность среды для обслуживающего персонала, засчет подводной резки стренгов, а также предотвращающие потери композита привыполнении указанной операции;
виброакустическаямельница, обеспечивающая механо-химическую активации. Полимера и наполнителя.
3. предложенновый состав композита на основе ПМ и древесной муки, взамен талька (типкомпозита, органическое вещество – органическое вещество,), что помимосущественного удешевления обеспечивает более высокое качество продукта идекоративность будущих изделий, поскольку материал приобретает текстуру ценныхдревесных пород.
4. возможностьиспользования в рецептуре композита вторичных сырьевых материалов (отходовпотребления полимерной химии и деревопереработки) без ухудшения качествакомпозита.
5. разработкадвух технологических схем производства микрокомпозита (экструдер-режущееустройство-сушка-упаковка) и нанокомпозита (виброакустическая мельница – экструдер-режущееустройство).
5. Расчетно-технологическаячасть
5.1Техническая характеристика сырья и продукта
Готовой продукциейявляются материалы на основе полипропилена.
Характеристикаисходного сырья и вспомогательных материаловНаименование сырья, материалов ГОСТ или ТУ Наименование показателей, обязательных для проверки Значение показателей с допустимыми отклонениями 1 Полипропилен
импорт ф-ма Borealis
ф-ма DOW
Показатель текучести
расплава, г/10 мин при 230
С и 5 кг нагрузки:
– для внешних деталей
– для внутренних деталей
(консоли, ящики)
– для внутренней обшивки
багажника, корпусов вентиляторов, внутренних деталей 1,2–5 0,5–5 1,2–5
Плотность, г/см3 0,900–0,910
Насыпной вес, г/см3 0,370–0,520 2 Ирганокс 1010 (термостабилизатор)
Импорт
фирма Ciba
Geigi
Внешний вид
Массовая доля летучих, % Белый кристаллический порошок 0,2
4 Тальк Magil
Diamond 350
Импорт
фирма Omja
Насыпной вес, г/см3
Размер частиц, мкм 0,4–0,8 30–40 5. Древесная мука
ГОСТ 16631-
87, марка 180
Насыпной вес, кг/м3
Влажность, %
Массовая доля кислот, % От 100–140 140140140 Не б. 8% Не б. 0,01%
Полипропилен. [СН2 Ї СН]n
/>
СН3
Мировое потреблениеполипропилена в 1997–2003 г. увеличилось почти на 11 млн. т. в результатеего широкого применения взамен конструкционных пластмасс. Макомолекулаполипропилена состоит из элементарных звеньев чередующихся вторичных итретичных атомов углерода, при этом каждый третичный атом углерода –асимметрический и может иметь D и L конфигурации. Атактический полипропилен, у которогоасимметрический атомы углерода D и L конфигурации располагаются беспорядочно, характеризуется аморфнойструктурой и представляет собой каучукоподобный материал, растворимый во многихорганических растворителях. Изотактический полипропилен, наоборот, – жесткийвысококристалличный материал, растворяющийся только в расплавленном состоянии.Такой полимер сходен с ПЭВД.
Полипропиленотличается высокой теплостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами, онустойчив к действию кислот и оснований. Полипропилен используется дляизготовления прочных пленок и волокон. Полипропиленовые пленки прозрачны иотличаются низкими газо- и влагопроницаемостью. Полипропилен применяется такжепри изготовлении посуды, теплоизоляционных покрытий, труб, емкостей, различныхдеталей.
Древесина-биополимер сложногосостава. Древесная мука получается путем истирания древесных отходов.Составляющие древесной муки:
Основудревесины составляет целлюлоза до 50%, лигнин до 30%. далее в его состав входятпентазаны и гексозоны до 20%, содержание смол до 3%, остальное зола. В основномиспользуются лиственные породы деревьев, т. к. хвойных породы имеютограничение в использовании, они содержат большое количество очень смол, этоснижает прочность полученного материала.
Ирганокс. Представляет собой белыйили кремовый кристаллический порошок. Нерастворим в воде. Раздражающим действиемне обладает. Используется в качестве термостабилизатора.
Тальк. Представляет собойпорошок белого цвета. Используется для исключения слипания крошек каучука
Таблица 3.2-Характеристика готовой продукции
/>Наименование показателя Композиционные материалы Полипропилен, модифицированный древесной мукой (ТУ на стадии разработки) Полипропилен, наполненный тальком ТУ 6–05–19–87 1. Внешний вид Гранулы однородного цвета 2. Гранулометричес ий состав Гранулы размером от 2 до 5 мм 3. Показатель текучести расплава, г/10 мин -
0,40–0,65
0,950–0,985
22,6
/>29,4
4. Плотность, г/см3 0,900–0,930 5. Показатель текучести при растяжении (МПа) 29,8 6. Прочность при разрыве МПа. 32,0
Таблица 3.3 – Отходы производстваНаименование отхода Количество, Направление т/год использования 1 Твердые отходы: – просыпи полимера, добавок и наполнителей, спекшийся агломерат 15,7 в дорожном полимера, собранная пыль от системы строительстве аспирации 2 Выбросы в атмосферу: – пыль полипропилена 0,744 после очистки в фильтре рассеиваются в атмосфере – пыль талька 0,094 – пыль ирганокса 0,007 – формальдгид – уксусная кислота 0,002 -0,184 рассеваются в атмосфере 3 Стоки: – крошка полиэтилена – формальдегид- 0,002 0,068 канализацию химзагрязненных стоков /> /> /> />
Таблица 3.4 –Отходы производства при применении подводного гранулятораНаименование отхода Количество, Направление т/год использования 1 Твердые отходы: – просыпи полимера, добавок и наполнителей, спекшийся агломерат 11,3 в дорожном полимера, собранная пыль от системы строительстве аспирации 2 Выбросы в атмосферу: – пыль полипропилена 0,344
после очистки в фильтре
рассеиваются в атмосфере – пыль ирганокса 0,0073 – формальдегид 0,002 рассеваются в атмосфере 3 Стоки: – крошка полиэтилена – формальдегид- 0,002 0,068 канализацию химзагрязненных стоков /> /> /> />
5.2 Материальныйбаланс производства
Материальный баланс: проект
Материальный баланс
Приход
Расход
Наименование
т/г
%, мас
Наименование
т/г
%, мас 1 Полипропилен 2758 0.788
1 Готовый продукт 3479,0 0,994 2 древесная мука 703.5 0.201 2 Отходы, в т.ч.: 21,0 0,006 3 добавока: а) твердые, в т. ч.: 18,91 – полимер (пережженные жгуты, слитки, -ирганокс 1010 38 0,011 просыпи, собранная пыль от фильтра) 7,408 – смесь добавок (просыпи, собранная пыль от фильтра) 4,698 б) выбросы в атмосферу, в т. ч.: 5,73 – формальдегид 0,00027 – органические кислоты 0,213 – окись углерода 2,0948 – взвешенные вещества 3,3340
Итого:
3500
1
Итого:
3500
1
5.3 Описаниетехнологической схемы производства
Технологическаясхема получения композиционных материалов включает следующие стадии:
· подготовкаи подача сырья в производство;
· дозированиекомпонентов;
· экструзияи грануляция;
· сушкаи расфасовка готовой продукции;
Для получениякомпозиционных материалов используются следующие виды сырья: гранулированныйполимер (полипропилен), армирующие добавки, наполнители.
Гранулированныйполипропилен вручную высыпается из мешков в бункер растарочной установки Б-6300,из которого вакуумтранспортом подается в бункер Б-8100 для промежуточногохранения.
Из бункераполимер самотеком поступает в загрузочную емкость Б-2100 через специальныйштуцер, установленной на ней растарочной установки Б-2100.
Управлениезагрузкой емкости и выгрузкой полипропилена из нее осуществляется вавтоматическом режиме по показателям уровня с помощью электропневматическихзадвижек.
Загрузкаемкости Б-2100 может осуществляться также вручную через загрузочное отверстиерастарочной установки Б-2100.
Из емкостейматериалы в количестве, определенным рецептурой и производительностьюэкструдера, подаются непрерывными весовыми дозатороми ВД-2100 в загрузочнуюворонку первой зоны экструдера Э-3000.
Подготовкасмеси включает в себя следующие операции:
· взвешиваниеопределенного количества добавок на напольных электронных весах;
· загрузкакомпонентов в передвижные контейнеры объемом 150 л;
· смешиваниекомпонентов непосредственно в контейнерах с помощью смесителя;
· подачаконтейнеров с предварительной смесью добавок к узлу загрузки в дозирующееоборудование.
От местзагрузки компонентов в контейнеры и смесители предусмотрены местные отсосы сцелью исключения попадания пыли в рабочее помещение. Запыленный воздух передвыбросом в атмосферу подвергается очистке в рукавном фильтре V-7700.
Смесь добавокчерез систему дозирования, состоящую из непрерывных шнековых дозаторов, вкоторых она дополнительно перемешивается, подается в загрузочную воронку первойзоны экструдера Э-3000.
С цельюпредотвращения попадания пыли в рабочую зону в местах растаривания наполнителейи загрузки их в экструдер предусмотрены местные отсосы запыленного воздуха, которыйвыбрасывается в атмосферу после очистки в фильтре V-7700.
Поступившие вдвухшнековый экструдер Э-3000 компоненты плавятся, перемешиваются догомогенного состояния, расплав проходит через экструзионную головку с фильеройдля образования стренг (прутков).
Приводэкструдера состоит из двигателя переменного тока с редуктором с бесступенчатойрегулировкой числа оборотов. Двигатель выполнен с двойным кожухом дляохлаждения циркулирующей деминерализованной водой, охлаждаемой оборотной водой.
Экструдерснабжен фильтром расплава постоянного действия, который предназначен дляисключения попадания в стренги посторонних металлических включений. Системасмены фильтровальных сит постоянного действия обеспечивает смену сит безсокращения активной поверхности фильтрации и без уменьшения потока расплава, сминимальными скачками давления.
Поддержаниезаданной температуры в зонах экструдера, системе смены сит и экструзионной головкеосуществляется с помощью электрообогрева, (нагревательные элементырасполагаются непосредственно у обогреваемых зон) и водяного охлаждения.Охлаждение производится деминерализованной водой (конденсатом), котораянаходится в рецикле и охлаждается оборотной водой в системе охлаждения. Замертемпературы корпуса экструдера осуществляется во всех зонах обогреваэкструдера. Температура зон экструдера и экструзионной головки регулируетсяавтоматически через программный регулятор.
В экструдерепредусмотрена зона дегазации для удаления продуктов разложения, образующихсяпри плавлении компонентов. Выделяющиеся пары и газы удаляются из зоны аспирациисистемой вакуумного отсоса. Часть веществ растворяется в деминерализованнойводе вакуумных насосов и отводится в канализацию хим. загрязненных вод.Нерастворенные пары и газы от вакуумной установки отсасываются вентилятором МV-7750 и выбрасываются ватмосферу.
Полученныестренги (прутки) охлаждаются деминерализованной водой в системе из ванн В –1,2.Поверхностная влага со стренг удаляется специальным отсасывающимприспособлением S-5300. Затем стренги режутся на гранулы заданного размера вгрануляторе G-5501.Гранулы просеиваются на классификационном вибросите ВС-5600 для отделения некондиционныхфракций: мелкой – менее 2-х мм, крупной – более 5-мм.
Товарныегранулы из-под вибросита по системе вакуумтранспорта, состоящей из приемнойворонки B-6100,воздуходувки P-6100направляются на окончательную сушку.
Для достижениягранулированным продуктом остаточной влажности менее 0,1% предусмотренанепрерывная система сушки, состоящая из приемной воронки В-6101, сушильной емкостиВ-6102, установки подачи и регенерации воздуха сушки, нагревателя воздуха HS-6100. Система сушкиработает в автоматическом режиме.
Высушенныйгранулированный композиционный материал вакуумтранспортом направляется вбункеры для готовой продукции Б-8200 и Б-8300. Предусмотрены две линии транспортировкипродукта в каждый из бункеров от специальной воронки В-6200 с двумявыгрузочными штуцерами, расположенной под сушильной емкостью В-6102. Набункерах Б-8200 и Б-8300 установлены приемные циклоны VA-6201 и VA-6202. Загрузка бункерови выгрузка из них материала производится по показателям уровня.
Из бункеровготовая продукция самотеком по двум трубопроводам (по одному из каждогобункера) поступает в приемную воронку B-8400 с двумя приемными штуцерами, расположеннуюнад автоматической установкой для расфасовки AS-6500. Воронка снабженауказателями уровня. Выбор бункера, из которого будет производиться расфасовка, осуществляетсяс помощью электропневматических задвижек XSV-8200 и XSV-8300.
Производительностьустановки при заполнении готовым продуктом мешков разных видов следующая:
· 900кг/ч – заполнение мешков по 25 кг.
· 1000кг/ч – заполнение контейнеров.
Расфасованныйгранулят композиционного материала электропогрузчиками направляется к местамхранения на складе готовой продукции, с которого отгружается потребителю.
5.4Описание основного оборудования
Двухшнековыйэкструдер –принцип действия его основан на вращении шнеков в одинаковом направлении.Митериал непрерывно поворачивается вдоль отверстия, вокруг шнеков, имеющихформу 8. Благодаря профилю шнека, прочесывающему всю зону пространства, вкотором протекает технологический процесс, достигается высокая степеньгомогенизации и самоочистки.
Техническиеданные экструдера приведены в таблице 4.
Таблица 4. –Технические данные экструдераПроизводи-тельность, кг/час
Диаметр
щнека, мм
Число оборотов
шнека, об/мин Масса, кг
Мощность
Обогрева, кВт Мощность электродвигателя, кВт До 600 90 12,5–125 7500 55 19,2
Принцип работы экструдераЭ-3000.
Дозированнаязагрузка материала в двухшнековый экструдер производится прямо черезнаполнительную горловину наполнительной камеры. Принудительные перемещенияобеспечиваются встраиванием специального шнекового элемента со сдвигающейкромкой. Производительность зависит от свободного поперечного сечения прохода,наклона шнека и числа оборотов, а также от внешней и внутренней сил трения ипомехи вращению в надсводной части шнека. Оптимальное втягивание продуктаобеспечивается выбором геометрии шнековых элементов и стравливанием воздуха впоследующей технологической цепи.
Пластификация,гомогенизирование и диспергирование обеспечивается за счет встраиванияспециальных месительных элементов.
В зоне дегазациивытягиваются потенциально имеющиеся в материале летучие компоненты.
В конце шнекав зоне вывода продукта создается давление, обеспечивающее преодолениесопротивления потока выносимого материала, а также механизма замены сит иформазадающих инструментов. Несмотря на открытие канала, достигается частичнопринудительное транспортирование благодаря влиянию сопротивления надсводнойчасти.
5.5 Расчеттемпературы расплава в формующей головке
Технологическийпроцесс производства композиционных материалов обусловлен такими параметрами,как температура, скорость охлаждения потока, скорость вращения шнека и потеридавления в формующей головке. Температура расплава влияет на прочность,относительное удлинение, вязкость расплава и соответственно изменяются потеридавления в формующей головке, производительность и степень гомогенизациирасплава.
Известно, чтополимеры перерабатываются при различных температурах, но для каждого методавыбираются температуры, обеспечивающие необходимые значения вязкости расплава.Поскольку формование материала происходит при выдавливании расплава через болееузкую щель, то температура полимера повышается. Расчет температуры расплава основанна использовании показателя текучести расплава.
Для расчетатемпературы расплава при производстве композиционных материалов используемуравнение (2.1), [2]
Тэ=/>, (1)
Где E/> =18 кДж/моль – энергияактивации вязкого течения, при скоростях сдвига />[2].
R=8,314 кДж/моль·К –универсальная газовая постоянная;
Ti=150єС – температурапереработки;
Используяпоказатель текучести расплава />= 3,0 г/10 мин,по номограмме 4, находим:
/>/>=2,5·104 Па –напряжение сдвига [2];
/>=2,1·104 Па –напряжение сдвига [2];
/>=1,2·101,с-1 – скорость сдвига [2];
Тэ=/>/>=175,59єС
5.5.1Расчет скорости движения композиционных материалов
Для расчетаскорости отвода стренгов используем уравнения теплопередачи в нестационарныхусловиях.
Расчетпараметров охлаждения производим графоаналитическим методом, т.е. зная значениебезмерной температуры:
Q =/> (2.1)
где Тn=72,5єС=345,5К – средняятемпература полимера [1.];
Ткр=130єС=403К– температура кристаллизации полимера [2.];
Тв=30єС=303К– температура воздуха [2].
Q =/>єС
Найдемкритерий Грасгоффа, определяемый по формуле (2.2): [2]/>
Gr =/>, (2.2)
где/>/>,0033 – температурныйкоэффициент объемного расширения воздуха;
/>0= 250 мм= 2,5 м – длина стренга;
g =9,8 м/с2 –ускорение свободного падения;
Тw = 116,25єС = 389,25К –средняя температура полимера;
/>= коэффициенткинематической вязкости воздуха при температуре 30єС [2]./>
Gr = />/>142 ·10-13
При свободной конвекции воздушной средыкритерий Нуссельта, при ламинарном режиме, составляет:
Nu = 0,695· Gr0,33 (2.3)
Nu = 0,695 · (142 ·10-13)0,33= 6,95 ·10-3
Коэффициенттеплоотдачи равен: />, (2.4)
где />= 2,67 · 102 Вт/м·К– коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Т=30єС [4.c. 402];
/>= 92,7825 Вт/м2 · К
Численноезначение Био [4]:
/>, (2.5)
где />= 3 мм – толщинажгута;
/>Вт/м·К – теплопроводностьполимера при температуре Т= 101,25єС [3]
/>= 1295,7
Используязначение критерия Био, находим по номограмме критерий Фурье: [3]
F0=0,04
Определивкритерий Грасгофа, Нуссельта, Био и Фурье, рассчитываем скорость отводаполимера. Коэффициент теплоотдачи при условии вынужденного движения жгутаотносительно воздуха, находим по критерию Рейнольдса:
Re=/>, (2.6)
где />=0,002 м/с – скоростьдвижения от линии кристаллизации до направляющих пластин [2].
Re=/>= 2,5 · 10-2,
А затемрассчитываем коэффициент теплоотдачи:
/>/>, (2.7)
/>= 1,41
Дляпоследующих расчетов берется наибольшее значение коэффициента теплоотдачи из двухнайденных />или/>.
Скоростьотвода материала из условий охлаждения будет равна:
/>, (2.8)
где />=900 кг/м3 –плотность полимера при температуре Т=20єС [2];
/>=1,92 кДж/(кг·К)=1,92·103Дж/(кг·К) – теплоемкость полимера [2];
/>= 2·10-3 м/с
5.5.2 Расчетперепада давлений в формующей головке
Длянахождения потерь весь путь движения расплава в головке разбивают условно научастки с постоянной геометрической формой каналов и нумеруют их. Общий перепаддавления находят как сумму перепадов на полученных участках. Так, головкукольцевой формы канала можно разбить на три участка.
1. Форма канала кольцевая
г1=(3n+1)*V (3.1)
n*р*R3*c
где n=0,4 – показательстепени;
V=9 см3/с – объемныйрасход;
R=0,3 см-радиусканала;
с =12 – числопараллельных каналов на расчетном участке.
(3*0,4+1)*9
г1=0,4*3,14*0,33*12 =126 с-1.
По номограмме[1] определяем напряжение сдвига:
/>/>=7,9·104 Па
Находимперепад на первом участке: [2]
ДС=2-/>(ℓ+mR)/ R, Па (3.2)
ℓ=17,2 смдлина канала;
m=0 входовый поправочныйкоэффициент;
/>ДС =2*7,9*104(17,2+0*0,3) =359*104=3,95 МПа;
0,3
2. Форма канала кольцевая,находим скорость сдвига по формуле 3.1:
(3*0,4+1)*9
/>г2= 0,4*3,14*0,43*12=73,3 с-1.
R=0,4 см-радиусканала;
с =12 – числопараллельных каналов на расчетном участке
По номограмме[1] определяем напряжение сдвига:
/>/>=6,2·104 Па
Находимперепад на втором участке [2]:
ℓ=4 см– длина канала
Находимперепад давления на втором участке, по формуле 3.2:
/>ДС2= 2*6,2*104(4+0*0,4)=83*104= 0,83МПа;
0,4
3. Форма канала кольцевая,находим скорость сдвига по формуле 3.1:
/>г2= (3*0,4+1)*9
0,4*3,14*0,53*12 =2,8 с-1.
R=0,5 см-радиусканала;
с =12 – числопараллельных каналов на расчетном участке
По номограмме[1] определяем напряжение сдвига:
/>/>=4,1·104 Па
Находимперепад на третьем участке [2]:
ℓ=3 см– длина канала
Находимперепад давления на втором участке, по формуле 3.2:
/>ДС2= 2*4,1*104(3+0*0,5)=31*104= 0,31 МПа;
0,5
Суммарныйперепад давлений на всех участках для головки должен быть равен: [2]
5 МПа≤УДрi≥15 МПа;
Дробщ=УДр=3,95+0,83+0,31=5,09 Мпа.
Как видно,суммарный перепад давлений попадает в экспериментальную область 5 МПа≤5,09 Мпа≥15МПа, которая обеспечивает оптимальную взаимосвязь между производительностьюаппарата и степенью гомогенизации расплава.
Технико–экономические показателиНаименование показатели Единица измерени я Данные проекта Данные завода
Дпр Ч100%
Дан аналога Проекта 1. Годовой объём производства тонн 3000 3500 116 2. Годовой объём производства Тыс. руб. 36000 42000 116 3. Производственные затраты Тыс. руб. 6360,172 6576,678 103 5. Оборотные средства Тыс. руб. 172485,252 1813473,77 105 6. Капитальные затраты Тыс. руб. 196548,529 205411,05 104 7. Численность рабочих: работающих рабочих чел. чел
45
36
45
36
100
100
8. Производительность труда, работающих
– рабочих
т/чел.
т/чел.
135
108
157,5
126
116
116 9. Цена 1 т прод. Тыс. руб. 43 37 116 10. Себестоимость продукции Тыс. Руб./тонн 40,8 32,46 78 11. валовая прибыль Тыс руб. 25859 40711 157
Заключение
1. Предложенодве схемы производства микро- и нанокомпозитов на основе полипропилена идревесной муки.
2. Введениев состав композита древесной муки взамен талька, существенно удешевляетполученный материал без ущерба для качества.
3. Экологическаясторона проекта представлена заменой в составе оборудования ванн устройствомдля подводной резки стренгов и использованием в рецептуре композита вторичногополипропилена.
4. Использованиев проекте инженерные решения обеспечивают снижение себестоимости продукта на 22%и упрочнение нанокомпозита на 20–50% по отношению к аналогу.
Списоклитературы
1. Ричардсон С.Г.«промышленные композиционные материалы. М.: Химия, 2002 — 320 с.
2. Бортников В.Г.производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трехтомах. Том 2. Технология переработки пластических масс. Казань: Изд-во «Домпечати». – 2002. – 399 с.
3. Тобольский А.Л. Свойстваи структура полимеров. М.: Химия, 1991,-322 с.
4. Вахнева О.В., Аскадский Л.А.,Попова М.Н. и др. Исследование релаксационных свойств первичного ивторичного полипропилена. // Механика композиционных материалов иконструкций.: Химия, 2001. – 454 с.
5. Фишер Э. Экструзияпластических масс. М.: Химия, 1970. – 282 с.
6. Лиоко В.Л., Струк В.А.К механизму действия наноразмерных модификаторов в полимерных матрицах. //Пластические массы, 2007, №8.
7. Липатов Ю.С. Межфазныеявления в полимерах. Киев: Наукова думка, 1980, – 200 с.
8. Новиков В.У., Козлов Г.В.,Бурьян Д.Ю. Фрактальный анализ структуры и свойств межфазных слоев вдисперсно-наполненных полимерных композитах // Механика композиционныхматериалов и конструкций, 2000, т. 8, №1. с. 111–149.
9. Аболонин Б.Е., Кузнецова И.М.,Харлампиди Х.Э. Основы химических производств. М.: Химия, 2001. –472 с.
10 Общие правилавзрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических инефтеперерабатывающих производств (ПБ 09–540–03).
11. Курсовое и дипломноепроектирование при выполнении квалификационных работ: Метод.указания / Сост. X.Э. Харлампиди, А.А, Кутуев, Е.С. Чиркунов
12. Голубятников В.Л.,Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов и АСУТП вхимической промышленности. – М.: Химия, 1976.-484 с.
13. Кошарский Б.Д. Автоматическиеприборы, регуляторы и вычислительные системы. – Л. Машиностроение,1976. — 484 с
14. Пожарная опасностьвеществ и материалов, применяемых в химической промышленноости. / Под ред.И.В. Рябова. – М.: Химия, 1970. — 470 с.
15. Категорированиепомещений. НПБ 105–95. – М.: ЦИПТ Госстрой СССР, 1995.-76 с.
16. Долин М.М. Охранатруда. – М.: Химия, 1980. – 531 с.
17. Макаров Г.В. Охранатруда в химической промышленности. – М.: Химия, 1989. — 493 с.
18. Отопление, вентиляция,кондиционирование. СниП 2.04.05 – 91-М. ЦИТП Госстрой СССР, 1991. — 70 с.