Разработка конструкции экструзионной двухканальной головки для изготовления облицовочных стеновых панелей под воздействием ультразвука

А. А. Панов, Г. Е. Заиков, А. К. Панов,

С. А. Шевцова, О. В.Стоянов

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭКСТРУЗИОННОЙ ДВУХКАНАЛЬНОЙ ГОЛОВКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЛИЦОВОЧНЫХ СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Ключевые слова: Полимер, экструзионная головка, ультразвуковые колебания, экструдат, стеновые панели, расплав.

В работе рассматривается конструкция двухканальной экструзионной головки для изготовления полимерных облицовочных стеновых панелей с применением ультразвуковых колебаний.

Keywords: polymer, extrusion head, ultrasonic vibrations, extrudate, wall panels, melt.

The construction of double-channel extrusion head for manufacturing of polymer cladding wall panels with the use of ultrasonic vibrations is reviewed in this paper.

Введение

Широкое использование полимерных материалов в различных отраслях промышленности требует не только создания новых технологических процессов их переработки, но и усовершенствования уже существующих с целью их оптимизации и интенсификации.

В связи с высоким гидравлическим сопротивлением формующих профилирующих каналов экструзионных головок их пропускная способность относительно невелика, поэтому разработка способов снижения сопротивления формующих каналов важна для интенсификации процесса экструзии.

Целью работы является исследование снижения сопротивления формующих каналов экструзионных головок и уменьшение вязкости расплава полимера. Известно, что под действием ультразвуковых колебаний вязкость расплава полимера уменьшается. Так наложение ультразвукового поля на расплав полимера в зоне формования вызывает повышение весового расхода в несколько раз [2-8].

Результаты проведенных исследований могут быть использованы в области переработки полимеров в химической и нефтехимической промышленностях.

Описание конструкции двухканальной экструзионной головки

В данной работе рассматривается конструкция двухканальной экструзионной головки для изготовления полимерных облицовочных стеновых панелей с применением ультразвуковых колебаний [7] в соответствии с рисунками 1 и 2 содержит разъемный корпус, состоящий из двух секций: верхней 1 и нижней 2, между секциями расположен разборный дорн из двух частей прямоугольной формы 3 в центре которого предусмотрено прямоугольное углубление для охлаждения 4 с возможностью входа хладагента через штуцер 5 и его выхода через штуцер 6.

Рис. 1 - Поперечный разрез двухканальной экструзионной головки с магнитострикционным излучателем

Рис. 2 - Продольный разрез экструзионной головки по А-А

В результате соединения прямоугольных секций 1 и 2 корпуса и разборного дорна прямоугольной формы 3 образуются два формующих профильных канала 7 для получения экструдата изделий 8, в которых размещены стержни 9 прямоугольного сечения жестко приваренные к планке 10 квадратного сечения вмонтированной в пазы расположенные в размере между двумя секциями корпуса (на рис. не показаны) формующие каналы 7 сообщаются с питающим каналом головки 11, на входе которого монтируется гомогенизирующая решетка 12 на верхней и нижней плоскостях корпуса головки установлены магнитострикцион-ные излучатели 13 с возможностью подключения их к источнику 14 ультразвуковых колебаний УЗГ 1-4.

Присоединение головки к экструдеру осуществляется с помощью фланца 15.

Прямоугольные секции корпуса головки и составные части дорна изготавливаются раздельно для обеспечения высокой точности и улучшения качества внутренних поверхностей.

Выбор оптимальной геометрии поперечного сечения формующих каналов обеспечивается при согласовании расположения верхней и нижней секций корпуса и разборного дорна, которые образуют формующие каналы профильного сечения.

Форма выступов и впадин в виде равнобокой трапеции в секциях корпуса головки в каждом отдельном случае подбираются конструктивно в зависимости от ширины и толщины изготавливаемой стеновой панели.

При подборе трансцендавной формы лицевой поверхности стеновой панели, в зависимости от ширины и толщины изготавливаемой стеновой панели, добиваются равномерного распределения скоростей во всех точках площади поперечного сечения экструдируемого изделия. Этим обеспечиваются необходимая размерная точность и качество экструдируемой стеновой панели.

Двухканальная экструзионная головка для изготовления полимерных облицовочных стеновых панелей с применением ультразвуковых колебаний работает следующим образом.

Расплав полимера, нагнетаемый шнеком экструдера (не показан), проходит гомогенизирующую решетку 12 и попадает в питающий канал 11. Далее расплав нагнетается в формующие профильные каналы 7, образованные поверхностями дорна 3 и прямоугольными секциями 1 и 2 корпуса головки. Проходя по формующим каналам, расплав полимера охлаждается и оформляется в непрерывное профильное изделие в виде стеновых панелей 8. При прохождение расплава полимера по формующим каналам на массу полимера воздействовало наложение ультразвуковых колебаний, с помощью магнитострикцион-ных излучателей, с воздушным охлаждением, установленных на верхней и нижней плоскостях корпуса головки. Источником ультразвуковых волн служил ультразвуковой генератор УЗГ 1-4, с помощью которого создавалось наложение колебаний на расплав полимера в зоне формования с фиксированной частотой 18.5; 20.5; 21.6; 22.1; 23.5 кГц.

Чтобы при продавливании струи расплава полимера через формующие каналы на поверхности изготавливаемого изделия не было следов от мест соединения основных элементов, необходимо каждую составляющую часть профильного формующего канала изготавливать с высоким классом чистоты поверхности.

Профиль выходит высокого качества с глянцевой поверхностью как за счет чистоты поверхности дорна и прямоугольных секций корпуса головки, так и за счет использования магнитострик-ционных излучателей, поскольку при воздействии ультразвуковых колебаний происходит понижение вязкости расплава, что уменьшает сопротивление пристенного эффекта истечения расплава на границе с поверхностью формующего канала.

На рисунке 3 представлено поперечное сечение облицовочной стеновой панели. Параметры стеновой панели: ширина 110 мм; толщина 15 мм; радиус гидравлический 3.33 мм; сечение 685.0 мм2; периметр 294 мм; коэффициенты формы а=1.55 и Ь=2.31; сечение отверстий внутри выступов 5x8 мм; толщина между выступами 4 мм, толщина концов панели 3 мм.

Рис. 3 - Поперечное сечение облицовочной стеновой панели

Экспериментальные и теоретические исследования процесса экструзии в условиях ультразвуковых колебаний

Экспериментальные исследования производились на опытной установке с экструдером АТЛ-45, имеющим червяк диаметром 45 мм и длиной 1125 мм.

Экструзионная головка имела следующие геометрические размеры: ширина корпуса 260 мм, длина 320 мм, длина профильных формующих каналов составляла 200 мм. Получали облицовочные стеновые панели из полипропилена марки 01003 ТУ 211-020-0020-3521096 шириной 110 мм, толщиной 15 мм. Оптимальный режим экструзии указанного материала при температуре 468-478 К и создаваемом давлении экструзии в пределах 3.0-4.8 МПа, при фиксированной частоте наложения ультразвуковых колебаний 18.5; 21.6; 22.1; 23.5 кГц на расплав полимера в зоне формования.

Снижение вязкости расплавов полимеров зависит от частоты воздействия ультразвуковых колебаний следующим образом [1]

<1)

где - эффективная вязкость полимера при

воздействии ультразвуковых колебаний, Па с; ^ -эффективная вязкость расплава полимера без воздействия ультразвуковых колебаний, Па с; ю - частота ультразвуковых колебаний, Гц; г=^/Я - время

релаксации, с; Е - модуль упругости полимерного материала, Па.

При рассмотрении ультразвуковых волн в расплаве полимеров происходит поглощение энергии волны и уменьшение амплитуды колебаний.

Зависимость коэффициента поглощения от

Так как в рассматриваемой экспериментальной установке излучатели ультразвуковых колебаний расположены на внешней поверхности формующей головки, то наиболее интенсивному воздействию ультразвукового поля подвергается часть расплава полимера, прилегающая к стенкам канала.

Расчет глубины проникновения ультразвукового поля в полимер показал, что в области исследуемых частот для типичных параметров полимера (/Л=2х10-2 Па-с; Е=3х106 Па; при Р=4.0 МПа) глубина проникновения ультразвука в полимер определяется как 8=1/а и составляет 5=1.5х10-3 м, что меньше гидравлического радиуса формующего канала. На основании этого можно сделать вывод, что на расплав полимера, находящийся в канале с противоположной стороны расположения излучателя, ультразвук практически не действует и, следовательно, не снижает его вязкости [3, 4].

Расход расплава полимера при экструзии в формующем профильном канале при изготовлении стеновых панелей определялся по формуле [5]:

,

['о -щ Ч Т(и) ]

где О - расход расплава полимера кг/с; а и Ь - коэффициенты формы канала; 5 - площадь поперечного

2

сечения канала, м ; г - время релаксации, с; р - плотность расплава полимера, кг/м3; 5 - глубина проникновения ультразвука в полимер, м; т - напряжение сдвига, Па; К и К2 - коэффициенты, уменьшающие или увеличивающие расход полимера Р в зависимости от того на какую часть периметра канала проникает ультразвук. Определить эти коэффициенты достаточно просто [6]:

«! = 7 <4>

где П - общий периметр канала; П - периметр на котором наблюдается воздействие ультразвука.

Повышающий коэффициент расхода равен [6]: К2=2-Кь

Для предлагаемой нами конструкции экструзионной головки понижающие и повышающие коэффициенты равны соответственно К1 =0.75; К2=1.25.

Расчеты и проведенные исследования показывают, что формула (3) может быть применима для формующих каналов любого сложного профиля сечения, при использовании которых ультразвуковые колебания проникают по всей длине периметра канала. Эксперименты по исследованию течения расплавов полимеров в формующих каналах по изготовлению стеновых панелей зависимости массового расхода Р

расплава полимера от градиента давления АР в исследуемом канале (при длине канала 200 мм) представлены на рисунке 4, знаками показаны экспериментальные данные, а сплошной линией теоретические значения. Как видно из экспериментальных данных максимум расхода приходится на частоту ультразвука 22.1 кГц, что согласуется с результатами теоретических расчетов.

а

б

! - ♦ - без Ш;2-т-18,5 КГц.; Ъ-±-2\6 КГц; 4 -х-22,1 КГц, 5-1 -23,5 КГц;

Рис. 4 - Зависимость расхода полипропилена от градиента давления: (а) - при температуре 468К; (б) - при температуре 478 К

Сравнение опытных данных и расчетов по предлагаемой математической зависимости выявило их хорошее согласование для исследуемого полимера, как без использования ультразвуковых колебаний, так и на задаваемых частотах. Расхождение составляет в среднем 13-16% для всех исследуемых частот.

частоты ультразвуковых колебаний имеет вид [1]

' ‘ I---------Г~

- ••• ••••

\Б/

Заключение

1. Технический результат, обеспечиваемый двухканальной экструзионной головкой для изготовления полимерных облицовочных стеновых панелей с применением ультразвуковых колебаний, выражается в упрощении конструкции и повышении производительности и качества облицовочных стеновых панелей благодаря выбору оптимальной геометрии поперечного сечения формующих каналов.

2. Техническая и экономическая эффективность использования рассматриваемой двухканальной экструзионной головки для изготовления полимерных облицовочных стеновых панелей состоит в том, что она позволяет:

- повысить качество изделий за счет воздействия ультразвуковых колебаний на массу экструдируемого полимера в зоне формования;

- увеличить производительность выпускаемых изделий;

- исключить неравномерность выхода экс-трудата за счет симметричного расположения формующих каналов;

- упростить конструкцию экструзионной головки, а также сборку и разборку ее.

Литература

1. Михайлов М.Г. Молекулярная акустика.

М.Г.Михайлов,В.А.Соловьев Ю.И.,Сырников-М. Наука, 1964.

2. А.И. Тукачинский, С.Л Пешковский, В.И. Бризицкий. Воздействие ультразвука на расплавы полимеров. Реология в переработке полимеров. Изд-во НПО ’’Пластик”, М. 1980. С. 142.

3. А.К Панов, И.Н. Дорохов, В.В. Кафаров В.В. Закономерности процесса течения расплавов полимеров в условиях ультразвуковых колебаний. Доклады Академии наук СССР, 30,1, 155. (1988).

4. А.К. Панов Влияние наложения ультразвука на процесс течения расплавов полимеров. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Изд-во ВПИ, Волгоград: Изд-во ВПИ, 1983. С. 100.

5. O.F. Kiselyova, A.A. Panov, K.S. Minsker, A.K. Panov and G.E. Zaikov. Design and method of calculation of acoustic extruder head for manufacturing of long polymeric profile products Leading edge research on polymers and composites.P. 71 New York, Nova Science Publishers, (2004).

б.О.Ф.Киселева.Разработка конструкций экструзионных головок для изготовления профильно-погонажных полимерных изделий в условиях наложения ультразвуковых колебаний. Дисс.канд. техн. наук. УГНТУ, Уфа, 2001.

7. Патент №2365503 РФ. Двухканальная экструзионная головка для изготовления полимерных облицовочных стеновых панелей с применением ультразвуковых колебаний / ПановА.А., ПановА.К., АнасоваТ.А., Жернаков

В.С. 2009. Бюл.№24.

8. В.Г.Бортников, Вестник Казан.технол. ун-та, №15, с214

© А. А. Панов - канд. техн. наук, Уфимский Государственный нефтяной технический университет; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., Институт биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; А. К. Панов - д-р техн. наук, проф., Уфимский Государственный нефтяной технический университет; С. А. Шевцова - канд. хим. наук, доц. каф. технологии пластических масс КНИТУ; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mаil.ru.