Исследование слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в формующих каналах

Т. А. Анасова, А. А. Панов, Р. Я. Дебердеев,

Г. Е. Заиков, А. К. Панов

ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЙНО-СЕКТОРНОЙ СОЭКСТРУЗИИ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ

В ФОРМУЮЩИХ КАНАЛАХ

Ключевые слова: полимер; расплав; соэкструзия; стержень; формующий канал.

Предложена технология получения полимерных комбинированных изделий при слойно-секторной соэкструзии в разных формующих каналах.Рассмотрены закономерности процессов соэкструзии комбинированных полимеров в формующих каналах при слойно-секторном совмещении. Предложены зависимости, позволяющие определить гидродинамические характеристики потоков расплавов полимеров при слойно-секторной соэкструзии в формующих каналах. Проведено сравнение рассчитанных расходных характеристик по предложенным зависимостям с экспериментальными данными при истечении слойно-секторных комбинированных полимеров в формующих каналах.

Keywords: polymer; melt; co-extrusion; stem; molding channel.

A technology of obtaining combined polymeric products at layer-sector co-extrusion in various molding channels was suggested. Patterns of combined polymer co-extrusion processes in molding channels at layer-sector combination were examined. Dependences to allow definition of polymer melts flows hydrodynamic characteristics at layer-sector co-extrusion in molding channels were suggested. Calculated flow rate characteristics according to the suggested dependences and the experimental data during layer-sector polymers flow in molding channels were compared.

Методика расчета расходных характеристик при слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в формующих каналах

Наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получили комбинированные изделия, компонентами которых являются полиолефины. Так,комбинированные изделия на основе полиэтилена в сочетании с лавсаном и материалами типа целлофана широко используются промышленностью.

Преимущество такого процесса соэкструзии нескольких компонентов с различными физикомеханическими свойствами, поперечные сечения которых имеют форму соединенных секторов, состоит в том, что такая технология позволяет получать нити и волокна, свойства которых аналогичны свойствам натуральной шерсти.

Рассмотрим слойно-секторную соэкструзию расплавов полимеров в канале круглого сечения (рис.1), в компонентах напряжении в цилиндрической системе координат, при этом считаем, что вторичные потоки невелики по сравнению с основным продольным сечением [1], продольные скорости всех компонентов на выходе канала одинаковы.

Уравнение движения в этом случае имеет вид

[1]:

і q і q лп

------rTzr +-^Tze=~AP

r qr r qU

где Т г , Тгв - компоненты напряжений сдвига; АP -перепад давления на единицу длины канала; г,0,1 -цилиндрические координаты.

Запишем соотношение для общего расхода жидкостей в цилиндрическом канале

Q = | VzdS = I VzrdrdU,

s s

где Q- объемный расход жидкостей.

Рис. 1 - Схема слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в цилиндрическом канале

С учетом выражения (2) уравнение (1) можно представить в следующем виде

APQ = I VzdS

1 q 1 q

------r*zr +-'-^Тгв

r в

r qr

Интегрируя уравнение (3) по частям, получим

Q = -tpі ide VzrT?r hi rdrTr — ^ I 0 'і qr

i dr

qVz

Учитывая,

что

Vzr==R = 0

VzTzeL=o = V2TzJe= 2П тогда уравнение(4) будет

иметь вид

V + r 1qV

qr z<e r qU

Принимая во внимание, что

1 21 R

Q = — j dej rdr

AP n n

VZTZU

и

дг

г дв

где ф- текучесть жидкости.

С учетом соотношения (6) уравнение (5) будет иметь вид

АР

2 2 . 2 ГДе Т = Т2Г + Т2в

1 2Ї

б = АР 1 Св1 гСгрт)т

полное напряжение

сдвига.

Если по каналу текут разные жидкости, каждая из которых занимает свой сектор, то формулу (7) можно представить в следующем виде (8):

п , 0 Я , 0 Я , 2П Я

2=12=-ар\св\ гСЩ(Тт +ар 1+-+АР1 0 ГсЩ (г)г2

<=1 о ^ 0 о АР0_1 о

Принимая во внимание, что на выходе из канала продольная скорость истечения V слабо зависит от угла & [2] так, что выполняется неравенство

qг г дв тогда из соотношений (6) следует

Т2в((Т2Г ~Т

Из уравнения (1) в этом приближении получим

Г СГ

т = -АР- или с1г = - АР —

2 2

Переходя в уравнении (8) от переменной гк

переменной т и учитывая в пределах каждого

сектора слабую зависимость от угла 2, получим

п 1 Ттп

2 = 1в • 4Арз ¡Щ

Где 21- угловой размер сектора в радианах, в пределах которого течет одна из исследуемых жидкостей многокомпонентной системы 2 = 2П . В

п

частном случае для п=3 из формулы (12) следует

(13):

I

б =

6АР3

1 р1 (г)т3Ст + 1 р2 (г)т3Ст + 1^3 (т)т3Ст

При условии, когда текучести исследуемых жидкостей близки друг другу, то формула (12) переходит в ранее полученное соотношение (9).

Полученная формула (12) позволяет

определить расход аномально-вязких жидкостей при напорном слойно-секторном течении в

цилиндрическом канале в зависимости от

реологических свойств и размеров канала.

Для расчета пропускной способности призматического канала произвольной формы сечения при многослойном или слойно-секторном

течении аномально-вязких жидкостей для

многокомпонентной системы можно предложить следующую обобщенную зависимость I gSiRnyid '

о=Е;

| Р {т)тьСт

где Б! - площадь сектора, занимаемая ьтым компонентом; 1 S = S ^п- гидравлический радиус 1?

го компонента; у1- удельная масса 1-го компонента; ф1-текучесть 1-го компонента; а и Ь - коэффициент формы ьго сектора (определялись по методу мембранной аналогии).

Для случая, когда вязкости исследуемых жидкостей многокомпонентной системы близки друг другу, то формула (14) переходит в ранее полученную зависимость (9).

Предложенная обобщенная зависимость (14) позволяет рассчитать расход аномально-вязких жидкостей принапорном пленочно-слойном или слойно-секторном течении в канале

произвольного сечения в зависимости от реологических свойств и размеров канала.

Экспериментальные данные слойно-секторного течения комбинированных расплавов полимеров в формующих каналах

Экспериментальное исследование процесса слойно-секторного течения трех сочлененных расплавов полимеров в цилиндрических и призматических каналах проводилось на установке (см. рис.2). Установка состояла из формующей головки, конструкция которой показана на рис.3, трех цилиндров высокого давления, которые устанавливались в гнезде головки. Гнезда для присоединения цилиндров высокого давления были выполнены с резьбой и расположены на верхнем торце формующей головки через 1200 по периметру окружности.

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки для изучения соэкструзии комбинированных расплавов полимеров: 1 - цилиндр высокого давления; 2 - соединительный блок;3 -

нагревательные элементы; 4 - термопара; 5,6 — блок питания; 7 - канал; 8 - прижимная гайка; 9 - поршень;10 - патрубок; 11 - крышка цилиндра

Исследуемый канал 5 с помощью прижимной гайки 7 закреплялся в формующей головке. Нагрев и регулирование температуры бомб

2

ь

т

г=1

0

высокого давления формующей головки осуществлялся с помощью нагревательных элементов 3.

Рис. 4 - Схемы слойно-секторного течения расплавов полимеров при соэкструзии: А,В,С -условное обозначение различных полимеров при соэкструзии: 1-4- вид сечения канала и

различные сочетанияполимеров при соэкструзии.

изготовления слойно-секторных полимерных изделий: 1 - корпус формующей головки; 2 -соединительный канал;3 - подводящий канал; 4 -гнезда дляподсоединения цилиндра высокого давления; 5 - уплотнительное кольцо; 6 -

формующий канал; 7 - прижимная гайка

При исследовании процесса слойно-секторного течения расплавов полимеров в

цилиндрических каналах расход каждого секторарегулировался соответствующим давлением в каждый цилиндр и температурой.В призматических каналах дополнительно в соединительный канал 2 формующей головки устанавливалась распределительная втулка с

продольными перегородками, заканчиваясь наконечником. Профили сечения наконечника и секторов соответствовали конкретному

исследуемому каналу.

Методика проведения опытов и обработки экспериментальных данных аналогична методике, описанной в работах [3^7]. Объектами исследования служили расплавы полиэтилена высокого давления марок П2020Т, П2035Т и 15802-020 при температуре 423 и 443 К.

На рис.4 приведены схемы различных сочетаний полимеров при слойно-секторной соэкструзии расплавов в различных каналах. Опыты по слойно-секторному течению расплавов полимеров проводились на пяти длинах каналов 60, 90, 120, 150, 180 мм. Входовые потери давления исключались по методу В.Е.Бэгли [2]. Опыты сводились к изменению давления в бомбе и расхода комбинированных сочленных каркасированных экструдатов через каналы.

На рис. 5 и рис. 6 представлены зависимости массового расхода от перепада давления на единицу длины исследуемых каналов: точками показаны экспериментальные величины расходов, а сплошными линиями - теоретическая зависимость.

О 2.0 4,0 6.0 8.0 10,0

Градиент давления, А Р-10-7. Па/м

0 2Л 40)

Градиент давления, А Р-10-7. Па/м

Рис. 5 - Зависимости расхода расплавов

полиэтилена при слойно-секторной соэкструзии от перепада давления на единицу длины каналов при Т = 443К (1)и Т = 423К (2): а- соэкструзия в канале 1; б -соэкструзия вканале 2

Сравнение величин рт и рэ, представленное на рисунке 5 и 6, указывает на хорошую корреляцию между величинами рт и рэ; расхождение расходных показателей в среднем составляет ±10% и не превышает ±15%. Вычисление интеграла в уравнениях (12) и (14) производилось по методике, описанной в работе [4].

Градиент давления, А Р-10"7. Па/м

Таким образом, разработанные нами зависимости (12) и (14) можно рекомендовать для определения пропускной способности

комбинированных расплавов полимеров при многослойном и слойно-секторном течении в призматических каналах.

Выводы

1. Разработана обобщенная математическая модель, которая позволяет рассчитывать расходные характеристики при слойно-секторной соэкструзии расплавов полимеров в профильных формующих каналах.

2. Проведена экспериментальная проверка предложенной математической зависимости по расчету гидродинамических характеристик комбинированных расплавов полимеров при слойно-секторном течении в цилиндрических и призматических каналах.

Литература

1. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. - М.; Л.: ГИТТЛ. 1951. -420 с.

2. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. - М.: Химия, 1979.- 366 с.

3. Анасова Т.А. Соэкструзия расплавов полимеров. -Уфа: Гилем, 2010. - 107 с.

4. Панов А.К., Анасов А.Р. Гидродинамика потокованомально-вязких полимерных систем в формующих каналах. - Уфа: УГНТУ, 1994.- 260 с.

5. Панов А.К. Основы расчета гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред при течении в каналах машини аппаратовхимической технологии. - Уфа: УНИ, 1984.-95 с.

6. Панов А.К., Дорохов И.Н. Слойно-секторное течение аномально-вязких жидкостей в формующих каналах.//Изв. вузов Химия и химическая технология. -1988. - №11С.115-118.

7. Анасова Т.А., Панов А.К. Технология процесса соэкструзии комбинированных расплавов полимеров в условиях воздействия силовых полей // Башкирский химический журнал. - 2010. Том 17 №5. С .112-115.

Градиент давления, А Р-10-7. Па/м 8. White Ja.L.,Ufford R.G Dharod К.^ Price R.D.

Experimental and Theoretical Study oi the Extrusion of Two - Phase Molten Polymer Systems. - Journal of Applied Рте. 6 - Зависимости расхода расплавов polymer Science, 1972, Vol.16, №6, P.1313-1329.

полиэтилена при слойно-секторной соэкструзии от перепада давления на единицу длины каналов при Т = 443К (І)и Т = 423К (2): а - соэкструзия в канале 3; б - соэкструзия в канале 4

© Т. А. Анасова - канд. техн. наук, доц. каф. математики БГАУ; А. А. Панов - канд. техн. наук, вед. науч. сотр.

Стерлитамакского филиала АН РБ; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и

композиционных материалов КНИТУ, deberdeev@kstu.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; А. К. Панов - д-р техн. наук, проф., член-корр. АН РБ, зав. отделом ГАНУ ИПИ.