Теория и практика экструзии полимеров

МОДЕЛЬ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ АГЛОМЕРАТОВ ЧАСТИЦ НАПОЛНИТЕЛЯ

Процесс экструзии по своей природе неразрывно связан с про­цессами диспергирования и смешения.

В настоящее время экструдеры нашли широкое применение в качестве смссителей-пластикаторов непрерывного действия при производстве и переработке композиционных материалов, а также 1ля введения красителей или различных структурирующих доба­вок непосредственно в процессе переработки полимеров.

Введение наполнителей позволяет модифицировать физико­механические свойства и эксплуатационные характеристики и экономить исходное полимерное сырье.

Перспективным способом модифицирования свойств полиме­ров для получения материалов с заданными свойствами является введение дисперсных и армирующих (волокнистых) наполнителей. Структура и свойства наполненных полимеров как гетерогенных многокомпонентных систем в общем виде определяется двумя фак - горами. Первый заложен в самом принципе получения наполнен­ных материалов путем введения в полимеры наполнителей, раз­личных по физической и химической структуре, размеру и форме частиц и их содержанию в системе. Второй является результатом тех изменений в физико-механических свойствах и структуре по­лимерной матрицы, которые обусловлены взаимодействием на границе раздела «полимер — твердое тело».

Суммарное изменение свойств наполненной системы по срав­нению с исходным полимером происходит в результате одновре­менного действия обоих факторов. При этом в системе имеет мес­то определенное взаимодействие между частицами наполнителя и полимерной матрицей. Хотя до настоящего времени точно не ус­тановлено влияние химических или физических связей между по­лимером и наполнителем на свойства наполненной системы, можно считать, что для создания материала с оптимальными свойствами необходимо определить степень связывания полимера с поверхностью наполнителя. При этом большую роль играет сте­пень диспергирования частиц наполнителя в процессе экструзии, так как чем глубже протекает процесс диспергирования агломера­тов частиц наполнителя при экструзии, тем больше поверхность их контакта с полимерной матрицей. При этом следует отметить, что подавляющее большинство используемых в качестве вводи­мых в полимер ингредиентов обладает высокой степенью агрега­тирования исходных частиц. Присутствие в получаемой смеси агломератов приводит к образованию дефектов в структуре и анизотропии свойств изделия. Задачей диспергирования и после­дующего смешения является обеспечение таких однородностей распределения и дисперсности вводимых в полимер ингредиен­тов, которые обусловливают заданный комплекс свойств получае­мых материалов.

Сопоставительный анализ и практика работы смесительного оборудования показали, что одной из машин, обладающей высо­кой диспергирующей и смесительной эффективностью при полу­чении различных наполненных (композиционных) полимерных материалов на основе термопластичных полимерных материалов, является экструдер. Кроме того, экструдеры сочетают в себе про­цесс диспергирующего смешения с процессом непрерывного по­лучения профильных изделий.

Получение композиционных материалов с заданными физико - механическими свойствами предусматривает создание условий для равномерного распределения хорошо диспергированного на­полнителя. И то же время в процессах получения композитов с порошкообразным наполнителем при его введении в зону заг­рузки одношнскового экструдера наблюдается интенсивное об­разование агломератов порошкообразного наполнителя в зоне уплотнения и плавления полимера, которые подвергаются вдаль нейшем разрушению в последующих функциональных зонах экст рудсра 110). Размеры и прочностные характеристики образующих­ся агломератов (для данного типа наполнителя) определяются его компрессионными свойствами, содержанием наполнителя, разме­рами и формой частиц полимера, а также величиной давления, развивающегося в зонах загрузки и плавления экструдера. В то же время в большинстве конструкций одношнековых экструдеров интенсивное диспергирование частиц наполнителя осуществляет­ся вследствие создания высоких напряжений сдвига в расплаве пс - |крабатываемого материала. При этом диспергирование агломера­та порошкообразных наполнителей происходит путем отрыва от­зольных частиц наполнителя (или агломератов) под действием касательных напряжений. Интенсивность процесса диспергирова­ния агломератов определяется величиной сил связи частиц в них, шаченнем действующих касательных напряжений на их поверх­ности, а также скоростью отвода диспергированных частиц от по­верхности агломерата. Сама интенсивность процесса диспергиро­вания может быть охарактеризована количеством частиц диспер­гированного наполнителя, находящихся вблизи поверхности агломерата.

Механизм образования и разрушения агломератов впервые ис - i ic до вал Мак-Келви |4). Он рассматривает гетерогенную систему, и которой диспергируемая фаза находится в виде агрегатов, состо­ящих из двух частиц, а дисперсионная среда представляет собой вязкую жидкость. При этом предполагается, что агрегаты лиспер - шруемой фазы не взаимодействуют друг с другом, поскольку их концентрация в системе незначительна. В данной системе в про­цессе переработки (смешения) действуют когезионные силы, удерживающие частицы агломерата от разъединения, и поверхно­стные силы, возникающие при движении частиц относительно жидкости.

В приводимой работе применена подвижная система коорди­нат (рис. 2.38), начало которой находится в центре одной из час­ти агломерата. В результате анализа определяется положение центра другой частицы агломерата (в координатах х—у) на различ­ных стадиях процесса смешения.

При радиусе частицы R наименьшее расстояние между центра­ми частиц равно 2R, и его можно вычислить по формуле:

r=Jx2+y1. (2.173)

Предполагается, что в области 2R < г < г* сила притяжения, удерживающая частицы вместе, постоянна, а в области г > г* эта ила пренебрежимо мала. Критический радиус разделения г* представляет собой важный параметр всех процессов дисперги­рования и определяется природой сил, вызывающих агломера­цию.

/

Рис. 2.38. Мечами <ч оораiohummh и разрушения агломератов

Из рис. 2.38 видно, что при выбранной системе координат на окружающую частицы жидкую среду действует одноосная дефор­мация сдвига, вызывающая течение среды вправо со скоростью

V = yy.

МОДЕЛЬ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ АГЛОМЕРАТОВ ЧАСТИЦ НАПОЛНИТЕЛЯ

Если рассматриваемые частицы имеют форму шара и число Рейнольдса при движении частиц относительно жидкости невели­ко, то увлекающая сила, действующая на частицу, определяется по закону Стокса как 6я/?цг*. Равнодействующую всех сил взаимодей­ствия между поверхностью сферы и окружающей жидкостью мож­но разложить на составляющие Fj и Fn которые определяются сле­дующими равенствами:

(2.174)

(2.175)

где cLt/d/ — скорость движения частицы в направлении оси х; iiy/iit — скорость движения частицы в направлении оси у, ц — виткость жидкости.

Пренебрегая силами инерции (что вполне допустимо для сис­темы, состоящей из очень маленьких частиц в жидкости с высо­кой вязкостью), получим:

(2.176)

Fd = FacosO; Fr = FasnO,

где 0 — угол, образованный прямой, проходящей через начало координат и центр частицы (см. рис. 2.38); F0 — сила взаимодействия между частицами.

Из совместного решения уравнений (2.174), (2.175) и (2.176) с учетом, что cos 0 = x/r, a sin 0 = у/г, автором работы [41 получена с юдуюшая система обыкновенных дифференциальных уравне­ний:

dx

(2.177)

(2.178)

(2.179)

(2.180)

=УГ_.

d/ г

чс I — независимая переменная (время); х, у — зависимые переменные. Из уравнений (2.177) и (2.178) получим:

dу у

I ле

r бяАуц 4 л Ах

л г—I

г напряжение сдвига, возникающее в жидкости.

Для частиц малых размеров можно принять, что г~х + у. Тогда уравнение (2.179) принимает вид

dx

(2.181)

^+хК-^-Ку,

л решение его выглядит как

(2.182)

I ic С постоянная интегрирования.

Постоянная интегрирования С находится из условия, что в на­чальном положении за координаты центра тяжести приняты (xq, у0). Тогда уравнение (2.182) принимает вид:

(2.183)

х + У У0_,

ехр

*У0

/ т 11-2.1

т

Уо)

ХО + ЛО У

Из последнего уравнения видно, что траектория (а следова­тельно. и течение процесса диспергирования) определяется пара­метром А, критическим радиусом г* и первоначальной ориентаци­ей агрегата (рис. 2.39).

Рассмотрим агломерат из двух частиц, ориентированный, как показано на рис. 2.39, я, где

А =0,5; лг0=0;

/■• = 3; >’о = 1.

МОДЕЛЬ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ АГЛОМЕРАТОВ ЧАСТИЦ НАПОЛНИТЕЛЯ

Рис. 2.39. Взаимодействие двух агломератов

При этом на жидкую среду действует деформация сдвига, вы­зывающая одноосное движение среды вправо.

Если сила притяжения частиц h'a мала или в жидкости возника­ют значительные напряжения сдвига, то величина К становится очень большой |с. м. уравнение (2.180)j. В предельном случае, ког­да К-ь «*>, движение частиц совпадает с линиями тока жидкой сре­ды, что свидетельствует о том, что диспергирующее смешение сводится к простому смешению (см. рис. 2.39, а). В области, где г > г*, величины Fa = 0 и К =* », и в данной области все пути дви­жения частиц совпадают с линиями тока. Влияние силы взаимо­действия частиц становится заметным, когда К является конеч­ным числом. Например, если К — 4, агломерат сперва слегка пово­рачивается, а затем верхняя частица (см. рис. 2.39, а) движется вправо и вниз по искривленному пути до тех пор, пока не достига­ется значение критического радиуса, когда силы взаимодействия между частицами Уа становятся равными нулю, после чего верхняя частица движется по линии тока вправо.

Тот же самый процесс начинается в случае, когда К = 3, но в конце концов частица достигает того положения, когда, вслед­ствие уменьшения увлекающей силы жидкости, баланс сил стано­вится неблагоприятным, после чего направление движения изме­няется и частица снова объединяется с прежней частицей.

При К = 2 силы взаимодействия намного превышают вязкост­ные силы и поэтому расстояние между центрами частиц не будет изменяться. Центр верхней частицы пройдет четверть окружности (см. рис. 2.39, а), в результате чего агломерат повернется так, что прямая, проходящая через центры обеих частиц, совпадет с лини­ей тока. Следовательно, в условиях данного примера разрушение агломерата произойдет только в том случае, когда параметр К> 4

|уравнсние (2.180)|. При более благоприятной первоначальной ориентации для осуществления диспергирования достаточно меньшее значение параметра К. Например, если первоначаль­ная ориентация частиц соответствует случаю, показанному на рис. 2.39, б, диспергирование может произойти далее при К = 2.

Из приведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1) высокие напряжения способствуют диспергированию; суще­ствует некоторое значение напряжения сдвига, ниже которого во­обще не происходит диспергирования;

2) в случае, если напряжение сдвига немного превышает кри­тическое значение, то будут подвергаться разрушению только аг- юмераты с благоприятной первоначальной ориентацией (боль­шая ось которых перпендикулярна линиям тока). Следовательно, в смесителях, где осуществляется только одномерное движение перерабатываемого материала, произойдет разрушение лишь тех агломератов, первоначальное положение которых благоприятное. Однако, если в смесителе осуществляется непрерывное изменение направления потока, то в дальнейшем также будет происходить шепергирование агломератов. В конце концов, через определен­ный промежуток времени под воздействием напряжений сдвига каждый агломерат примет благоприятное положение и будет раз­рушен;

3) если предположить, что сила взаимодействия частиц F0 от­носительно независима от размера частиц, то из уравнения (2.180) видно, что параметр К прямо пропорционален радиусу R. т. е. аг - юмераты, состоящие из больших по размеру частиц, легче разру­шаются по сравнению с агломератами, состоящими из частиц меньших размеров.

Работа Мак-Кслвн |4| представляет собой идеализированный случай образования и разрушения агломератов, так как в реальных процессах экструзии наполненных полимеров будет наблюдаться несколько иная картина образования и разрушения агломератов. )го объясняется тем, что к расплавам полимеров вряд ли приме­ним закон Стокса. Кроме того, частицы наполнителя редко имеют форму с<|>срм, за исключением тех случаев, когда в полимер до­бавляются стеклянные микросфсры.

Теория и практика экструзии полимеров

Постачальник ПВХ, ПУ, промислових та гідравлічних рукавів

Компанія «Укр-Флекс» є провідним постачальником промислових рукавів та шлангів на українському ринку. Завдяки високій якості продукції, широкому асортименту та надійному обслуговуванню, ми забезпечуємо потреби різних галузей промисловості і гарантуємо задоволення …

Причины перейти на инженерные пластики

За последние десятилетия появилось множество полимерных материалов. Физические, механические свойства ряда из них настолько хороши, что они активно используются как альтернатива металлу. Особым спросом пользуются так называемые инженерные пластики. Полипропилен, …

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ РУКАВНЫХ ПЛЕНОК

Системы охлаждения экструзионных агрегатов для производ­ства рукавных пленок должны обеспечивать: — заданную интенсивность охлаждения с целыо получения ка­чественного изделия при заданной производительности экструдера; — заданную структуру пленки; — равномерность охлаждения …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.