Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и основные задачи исследования 12
1.1 Структура, основные особенности образования и утилизации отходов современного сельскохозяйственного производства 12
1.2 Биоразлагаемые полимерные материалы для упаковки сельскохозяйственной и пищевой продукции 16
1.2.1 Виды, технические требования и материалы, применяемые для производства упаковки из пленочных материалов 16
1.2.2 Сравнительная характеристика композиционных материалов на основе синтетических и биополимеров 17
1.2.3 Виды, получение и требования к мелкодисперсным наполнителям, придающим композициям на основе синтетических полимеров свойства биоразлагаемости 18
1.3 Технологические процессы и оборудование для производства полимерных композиций и переработки их в пленочные материалы 24
1.3.1 Общие принципы технологии 24
1.3.2 Применяемое оборудование 27
1.3.3 Сравнительная характеристика экструзионно-выдувного и плоскощелевого методов получения упаковочных пленок 31
1.3.4 Анализ конструкций плоскощелевых экструзионных головок и методов выравнивания потока экструдата 32
1.3.5 Принципы проектного расчета плоскощелевых головок для производства упаковочных пленок 35
1.3.6 Реологические модели, применяемые для описания течения полимерных материалов при экструзии 37
1.4 Методы изучения эксплуатационных и технологических характеристик биоразлагаемых полимерных композиций 39
1.4.1 Приборы и методы изучения физико-механических и реологических свойств полимерных композиций 39
1.4.2 Приборы и методы оценки способности композиционных материалов к биодеградации под действием природных факторов 44
1.5 Цель и задачи исследования 48
2 Разработка метода расчета и усовершенствование конструкции плоскощелевой экструзионной головки для производства упаковочных пленок 50
2.1 Допущения, граничные условия и уравнения математической модели течения неньютоновской жидкости в каналах плоскощелевой экструзионной головки 50
2.1.1 Принципиальные схемы плоскощелевых экструзионных головок 50
2.1.2 Дифференциальные уравнения механики сплошной среды, описывающие течение расплавов полимеров в каналах плоскощелевых экструзионных головок 52
2.2 Основные особенности и принципы моделирования технологических процессов производства изделий из полимерных материалов в пакете ANSYS Polyflow 55
2.3 Расчетная схема и численный анализ в пакете ANSYS Polyflow течения расплава в плоскощелевых головках коллекторного типа с регулирующими планками 57
2.3.1 Расчетная схема, аналитический и численный расчет течения расплава в трубе постоянного диаметра 57
2.3.2 Расчетная схема и численный анализ течения расплава в плоскощелевой головке с коллектором типа «рыбий хвост» 63
2.3.3 Расчетная схема и численный анализ течения расплава в плоскощелевой головке с коллектором Т-образного типа 68
2.3.4 Расчетная схема и численный анализ течения расплава в плоскощелевой головке с коллектором типа «вешалка» 73
2.4 Выводы к главе 2 77
3 Методики экспериментальных и теоретических исследований 79
3.1 Программа исследований 79
3.2 Методика изучения процессов измельчения органических наполнителей в одностадийном и двухстадийном режимах 80
3.3 Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном смесителе периодического действия PolyLab Rheomix 600 OS 82
3.4 Методика компрессионного формования пластин для физико-механических и реологических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-Н50С 85
3.5 Методики исследования технологических и эксплуатационных характеристик композиционных материалов 87
3.5.1 Методика исследования физико-механических характеристик 87
3.5.2 Методика испытаний на влагопоглощение 89
3.5.3 Методика исследования реологических характеристик расплавов в режиме вынужденных колебаний 90
3.6 Методика оценки способности композиционных материалов к биодеградации 91
3.7 Методика тарировки объемных дозаторов экструдера 92
3.8 Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном двухшнековом экструдере сонаправленного вращения PolyLab Rheomex PTW 16 PolyLab 94
3.9 Методика расчета плоскощелевой экструзионной головки для производства упаковочных пленок 103
3.10 Выводы к главе 3 105
4 Результаты экспериментальных и теоретических исследований 106
4.1 Результаты изучения процессов измельчения растительных отходов АПК в одностадийном и двухстадийном режимах 106
4.2 Разработка составов и исследование эксплуатационных и технологических свойств биоразлагаемых композитов на основе ПЭНД 273-83 и крахмала 108
4.3 Разработка составов и исследование эксплуатационных и технологических свойств биоразлагаемых композитов из смеси полиолефинов и мелкодисперсной пивной дробины 115
4.3.1 Разработка составов биоразлагаемых композитов из смеси полиолефинов и мелкодисперсной пивной дробины 115
4.3.2 Результаты исследования эксплуатационных и технологических свойств полученных композитов 117
4.3.3 Результаты исследования способности полученных композитов к биоразложению 123
4.4 Разработка составов и исследование эксплуатационных и технологических свойств биоразлагаемых композитов из смеси полиолефинов и мелкодисперсного свекловичного жома 125
4.4.1 Разработка составов биоразлагаемых композитов из смеси полиолефинов и мелкодисперсного свекловичного жома 125
4.4.2 Результаты исследования эксплуатационных и технологических свойств полученных композитов и их способности к биоразложению 127
4.5 Разработка лабораторного техпроцесса производства упрочненной пленки методом плоскощелевой экструзии из биоразлагаемого термопластичного композита, наполненного мелкодисперсным свекловичным жомом 132
4.6 Проверка адекватности математической модели течения расплава в плоскощелевой головке типа «рыбий хвост» 138
4.7 Выводы к главе 4 140
5 Рекомендации по применению разработанных композиционных материалов и технологий их переработки в биоразлагаемые упаковочные пленки 142
5.1 Методы и оборудование для термоформования упаковочных изделий из плоских полимерных заготовок 142
5.2 Оценка экономической эффективности предлагаемых мероприятий 148
5.3 Выводы к главе 5 152
Заключение 153
Список литературы 157
Приложения 170
- Виды, получение и требования к мелкодисперсным наполнителям, придающим композициям на основе синтетических полимеров свойства биоразлагаемости
- Расчетная схема, аналитический и численный расчет течения расплава в трубе постоянного диаметра
- Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном двухшнековом экструдере сонаправленного вращения PolyLab Rheomex PTW 16 PolyLab
- Результаты исследования эксплуатационных и технологических свойств полученных композитов и их способности к биоразложению
Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство сельскохозяйственного продукта АПК связано с образованием большого количества отходов. Выход основного продукта иногда составляет 15-30 % от массы исходного сырья. Остальная часть, содержащая значительное количество ценных веществ (пивная дробина, свекловичный жом и др.), в данном производственном процессе не используется, переходит в так называемые отходы производства, которые потенциально являются вторичным сырьем для производства дополнительной продукции.
По данным Минсельхоза России в АПК ежегодно генерируется более 770 млн. тонн отходов. Из них около 90 млн. м3 – это твердые отходы, в основном пищевая упаковка (бумага, картон, полимерные материалы и др.). При этом проблема их утилизации носит, прежде всего, экологический характер, поскольку содержимое свалок, разлагаясь в течение 70-80 лет, выделяет сверхтоксичные соединения диоксинового и фуранового ряда, отравляя окружающую среду. Свалками ежегодно загрязняется до 10 тыс. га земель, в том числе плодородные земли, изымаемые из сельскохозяйственного оборота. При этом решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды, требует значительных капитальных вложений.
В сложной мировой экологической ситуации использование биологически разрушаемых полимерных материалов для получения изделий массового потребления (главным образом полимерной упаковки) является основным направлением сокращения количества твердого мусора, так как будет обеспечиваться их быстрое разложение под действием климатических факторов и микроорганизмов.
Распоряжением правительства РФ №1247-р от 18.07.2013 г. предусмотрено довести до 2018 г. долю биоразлагаемых материалов в общем объеме полимерных изделий до 8 %, в том числе в упаковочной отрасли до 25 %. Помимо способности к биодеградации, они должны обладать высокими упруго-прочностными характеристиками, обеспечивающими целостность упакованных продуктов в течение периодов их хранения и потребления.
Большое распространение получило в упаковочной отрасли изготовление упаковок из биоразрушаемых композитов, основанное на введении в полиоле-финовые термопласты крахмала, который служит питательной средой для микроорганизмов, что приводит к нарушению целостности пленок и соответственно к разрушению упаковки.
Степень разработанности темы. Систематизация и критический анализ материалов по тематике исследования проведены на основании работ известных ученых: В. К. Астанина, В. В. Богданова, И. А. Валеева, В. Н. Водякова, С. И. Вольфсона, И. В. Воскобойникова, В. В. Глухих, М. Л. Кербера, А. А. Клесова, Ю. Лонга, И. Н. Мусина, И. В. Скопинцева, В. А. Ушкова, И. З. Файзуллина, Н. И. Шубина и других.
Однако, несмотря на большое количество исследований в области био-разлагаемых термопластичных композитов, возможности совершенствования их состава и технологий производства далеко не исчерпаны. В частности, не-3
достаточно изученными остаются проблемы использования в качестве наполнителя биоразлагаемых термопластов (вместо ценного пищевого сырья – крахмала) таких отходов АПК, как пивная дробина и свекловичный жом, технология получения из таких композитов пленок, улучшения их эксплуатационных и технологических характеристик.
Цель исследования – разработка составов, технологических процессов производства и переработки биоразлагаемых термопластичных композиционных материалов упаковочного назначения на основе вторичных ресурсов агропромышленного комплекса.
Объект исследования – биоразлагаемые композиционные материалы упаковочного назначения на основе термопластов, наполненных растительными отходами агропромышленного комплекса.
Предмет исследования – закономерности процессов производства и переработки биоразлагаемых композиционных материалов упаковочного назначения на основе термопластов, наполненных растительными отходами агропромышленного комплекса.
Научную новизну работы составляют:
– математическая модель и результаты численного исследования процесса экструзии биоразлагаемых композиционных материалов через плоскощелевые головки, реализованная в программном комплексе ANSYS, модуль Polyflow;
– закономерности технологических процессов смешения и компаундирования компонентов биоразлагаемых термопластичных материалов, наполненных мелкодисперсными отходами перерабатывающей отрасли АПК;
– результаты исследования физико-механических и реологических характеристик биоразлагаемых термопластичных материалов, наполненных мелкодисперсными отходами перерабатывающей отрасли АПК;
– лабораторная методика экспресс - оценки способности композиционных материалов к биоразложению.
Практическую значимость работы представляют:
– составы экологически чистых биоразлагаемых композитов для получения упаковочных пленок хозяйственного назначения;
– техпроцессы смешения и компаундирования компонентов биоразлагае-мых композиционных материалов на лабораторных смесителях периодического (PolyLab Rheomix 600 OS) и непрерывного (Rheomex PTW 16 PolyLab) действия;
– усовершенствованная конструкция плоскощелевой экструзионной головки для производства биоразлагаемых упаковочных пленок;
– технологический процесс производства упаковочных пленок из разработанных композитов методом плоскощелевой экструзии с одноосной упрочняющей вытяжкой;
– рекомендации по применению в АПК полученных термопластичных композитов, технологий их производства и переработки в пленки упаковочного назначения.
Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Энерго-4
эффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики.
Исследование физико-механических характеристик композитов производилось по ГОСТ 11262-80, ГОСТ 12423-66, ГОСТ 4648-71, ГОСТ 4650-80. При исследовании процессов компаундирования и реологических испытаниях использованы компьютерные программы и оригинальные методики фирм – поставщиков оборудования.
Теоретическое исследование плоскощелевой экструзии пленок и разработка конструкций плоскощелевых экструзионных головок выполнены с использованием программного комплекса ANSYS, модуль Polyflow.
Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики с помощью современных вычислительных средств и программы «Excel 2010».
Основные положения, выносимые на защиту:
– математическая модель и результаты численного исследования процесса экструзии биоразлагаемых композиционных материалов через плоскощелевые головки различного типа;
– результаты изучения техпроцессов смешения и компаундирования компонентов биоразлагаемых композиционных материалов на лабораторных смесителях периодического (PolyLab Rheomix 600 OS) и непрерывного (Rheomex PTW 16 PolyLab) действия;
– составы экологически чистых биоразлагаемых композитов для производства упаковочных пленок хозяйственного назначения;
– результаты изучения физико-механических и реологических характеристик биоразлагаемых термопластичных композиционных материалов, наполненных мелкодисперсной пивной дробиной и свекловичным жомом;
– технологический процесс производства упаковочных пленок из разработанных композитов методом плоскощелевой экструзии с одноосной упрочняющей вытяжкой.
Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, использованием в исследованиях высокотехнологичного оборудования и современных программных комплексов. Результаты исследований прошли широкую апробацию в печати и научно-практических конференциях.
Реализация результатов исследования. Разработанный технологический процесс производства биоразлагаемых упаковочных пленок методом плоскощелевой экструзии с упрочняющей двухосной вытяжкой принят к внедрению Центром нанотехнологий и наноматериалов АУ «Технопарк-Мордовия». Результаты исследований используются при проведении занятий по дисциплинам «Процессы и аппараты пищевых производств» (бакалавриат, направление «Агроинженерия») и «Расчет и конструирование машин и аппаратов перерабатывающих производств» (магистратура, направление «Агроинже-нерия»).
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии на всех этапах исследовательского процесса и подготовки диссертации: разработке и
реализации плана теоретических и экспериментальных исследований, отработке рецептуры биоразлагаемых термопластичных композиционных материалов, разработке экспериментальных установок, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке и написании научных статей, оформлении заявки на патент и внедрении результатов.
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на трех Международных научно-технических конференциях «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, 2014-2016), Всероссийской научной конференции с международным участием «Перспективы развития химических и биологических технологий в 21-м веке» (г. Саранск, 2015), Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (г. Саранск, 2016), расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2016).
Диссертант удостоен диплома за второе место в Республиканском конкурсе «Лучшее изобретение РМ-2017».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах в 2014-2017 гг., в том числе 3 опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, одна из которых вошла в реферативную базу данных Web of Sciense. Получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 33 таблицы, список литературы из 147 наименований и 8 приложений.
Виды, получение и требования к мелкодисперсным наполнителям, придающим композициям на основе синтетических полимеров свойства биоразлагаемости
В работе [61] описаны композиции для получения биоразлагаемых пленок, в которых в качестве биоразлагаемых наполнителей используются крахмал, ржаная мука, какаовелла, целлюлоза, лигнин, льняная костра, лузга подсолнечника, листва и другие отходы АПК.
Рассмотрим несколько патентов по применению этих наполнителей.
Согласно изобретению [62] биологически разлагаемая термопластичная композиция в качестве полимерной основы содержит производственные и/или бытовые отходы полиэтилена (67-76,5 масс.%), в качестве наполнителя природного происхождения – отход пищевой промышленности - рисовую лузгу (20-30 мас.%), а также технологические добавки – олигомерный краситель (1-2 масс.%) и двуокись титана (0,5-1 масс.%). Однако изделия, изготовленные из данной композиции, характеризуются невысокими показателями водопоглощения и физико-механическими характеристиками, что, по-видимому, связано с недостаточной адгезией между наполнителем и полимерной матрицей, обусловленной лишь адсорбционными взаимодействиями. По этой же причине биоразложение композиции происходит за счет поглощения микроорганизмами фрагментов наполнителя, в то время как полимерная матрица практически не разрушается, что подтверждают данные ИК-спектроскопии.
Задача изобретения [63] – создание термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя – ржаной муки, изделия из которой разрушаются под действием света, влаги и микрофлоры почвы. Это достигается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция для изделий, согласно изобретению, содержит сополимер этилена и винилацетата (50-68,7 мас.%), биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют ржаную муку (30-48,7 мас.%) и технологические добавки, в качестве которых используют катионное поверхностно-активное вещество (0,1 мас.%), амилацетат кукурузный (1 мас.%) и метилцеллюлозу (0,2 мас.%). Технологические добавки с различным функциональным назначением выбирались по принципу необходимости создания гетерогенной системы с заданными величинами ее эффективной вязкости в выбранном температурном интервале переработки. Катионные поверхностно - активные вещества (ПАВ) выбирались из ряда четвертичных аммониевых солей: алкоксиметилпиридиний хлорид, N-цетилпиридиний хлорид (торговая марка Ка-тапав, П-26), которые использовались в композиции для улучшения совместимости ингредиентов и достижения гомогенизации, предотвращения комкования порошкообразной смеси. Метилцеллюлоза и амилацетат кукурузный являются во-доудерживающими и пленкообразующими модификаторами. Указанные компоненты вводились в необходимых количествах, используя общепринятые в технологии получения пластмасс приемы введения малых добавок твердой консистенции.
Такая композиция обладает хорошими реологическими характеристиками, соответствующими требованиям, предъявляемым к материалам для переработки на традиционном для термопластов оборудовании (экструдер, термопластавтомат). Изделия из предлагаемой композиции обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, в том числе биологической разрушаемостью. Используемая для наполнения ржаная мука имеет следующие физические характеристики: влажность 15%, зольность не более 1,45%, белки 8,9 г, жиры 1,7 г, углеводы 61,8 г. В качестве полимерного связующего использовался сополимер этилена и винилацетата (СЭВА), обладающий следующими физико-химическими характеристиками: содержание винилацетата от 5 до 30 мас.%, плотностью 0,928-0,945 7/см3, относительное удлинение при растяжении 600-800%, разрушающее напряжение при разрыве 9-12 МПа.
Задача изобретения [64] – создание термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя – отходов кондитерской промышленности, изделия из которой разрушаются под действием света, влаги и микрофлоры почвы.
Это достигается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция для изделий, согласно изобретению содержит сополимер этилена и ви-нилацетата (59,5-79,5 мас.%), биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют отходы кондитерской промышленности - какаовеллу (20-40 мас.%) и поверхностно-активное вещество (0,2-0,5 мас.%). Согласно изобретению в качестве биоразлагаемого наполнителя, стимулирующего процесс биологического разрушения конечных изделий, изготовленных из сополимера этилена и винил-ацетата, используется какаовелла в количестве (20-40) мас.%. Используемая для наполнения какаовелла имеет следующие физические характеристики: влажность 6,0...12,0%, белок 12,2...15,8%, крахмал 3,6...5,4%, какао-масло 1,2...4,6%, остальное 77-62,2%. Поверхностно-активное вещество выбиралось по принципу необходимости создания гетерогенной системы с заданными величинами ее эффективной вязкости в выбранном температурном интервале переработки. Поверхностно-активное вещество – моноэфир янтарной кислоты (оксиянт) выбиралось из ряда моноэфиров дикарбоновых кислот. Данное ПАВ использовалось в композиции для улучшения совместимости ингредиентов и достижения гомогенизации, а также в качестве инициатора биоразложения. В качестве полимера, выполняющего роль дисперсионной среды, использовался сополимер этилена и винилацетата (СЭВА), обладающий следующими физико-химическими характеристиками: содержание винилацетата от 5 до 30 мас.%, плотностью 0,928-0,945 г/см3, относительное удлинение при растяжении 600-800%, разрушающее напряжение при разрыве 9-12 МПа.
Решение задачи биоразлагаемости в изобретении [65] достигается тем, что в полимерную композицию, включающую полиолефины и биоразлагаемый наполнитель вводится технологическая добавка, представляющая собой белковый фосфа-тидный концентрат [66] – сопутствующий продукт производства нерафинированного подсолнечного или рапсового масла, а в качестве биоразлагаемого наполнителя применяется крахмал; при этом композицию готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиолефины – 47,5-35; биоразлагаемый наполнитель – 47,5-35; технологическая добавка – 5-30.
Кроме вышеперечисленных биоразлагаемых наполнителей, очевидно, могут быть использованы при создании биоразлагаемых упаковочных пленок и такие отходы АПК как пивная дробина и свекловичный жом. Рассмотрим основные особенности данных продуктов.
Пивная дробина представляет собой хорошо перемешанную массу, в состав которой входят частички ядер и оболочки зерен. Остается пивная дробина в процессе выработки ячменного сусла. Основной особенностью этого вторичного продукта пивоварения является то, что в нем содержится просто огромное количество питательных веществ и полезных микроэлементов. Поэтому в сельском хозяйстве его используют, прежде всего, как источник белка при кормлении животных [67].
На рисунке 1.3 представлен внешний вид высушенного гранулята пивной дробины и его помола, полученного на ножевой мельнице.
В своем обычном состоянии дробина пивная содержит около 80% воды. Для того чтобы избежать закисания и снизить вес, предназначенной для перевозки дробины, ее предварительно высушивают. Из 3-4 тонн влажной массы при этом обычно получают 1 тонну сухого продукта. Существует также оборудование, предназначенное для производства гранулированной пивной дробины и ее размола.
Высушенная пивная дробина содержит (% масс): протеины – 23,44; жиры – 7,75; клетчатка – 14,33; зола – 2,5%; БЭВ – 43,44%; вода 6,87%. Помимо этого, в состав пивной дробины входят: цинк – 105 мг/кг; железо – 205 мг/кг; медь – 15 мг/кг; фосфор – 0,5 мг/кг; кальций – 0,37 мг/кг. Также дробина пивная содержит в себе очень большое количество аминокислот (глицин, аланин, треонин и проч.).
Свекловичный жом представляет собой обессахаренную свекловичную стружку, остающуюся после извлечения из нее сахара. Сухой жом является высококонцентрированным кормом для скота. Высушенный жом, защищенный от непосредственного попадания в него воды, может храниться без потерь кормовых свойств неограниченно долгое время [68, 69].
На рисунке 1.4 представлен внешний вид высушенного гранулята свекловичного жома и его помола, полученного на ножевой мельнице.
Возможность использования свекловичного жома в качестве наполнителя обусловливается высоким содержанием в нем целлюлозы (до 45 %), пектиновых веществ (до 50 %), белков (до 2%), минеральных и других веществ [70, 71]. Путем спектрального анализа в жоме были также найдены: барий свинец, бор, железо, медь, марганец, молибден, никель, рубидий, селен, серебро, кремний, стронций, таллий и цинк.
Расчетная схема, аналитический и численный расчет течения расплава в трубе постоянного диаметра
С целью тестирования программы и определения оптимального количества конечных элементов на первом этапе смоделировано изотермическое течение расплава неньютоновской жидкости в прямолинейном канале круглого сечения. Данная задача имеет аналитическое решение с конечными формулами, приведенными в ряде публикаций, например [85, 117]. Выбранная форма поперечного сечения трубы является наиболее выгодной для рассмотрения данного течения, так как предполагает одинаковость всех параметров, характеризующих движение, по периметру трубы в каждом сечении.
Расчетная схема течения расплава в трубе круглого сечения представлена на рисунке 2.4.
Длина трубы была принята равной 10d для снижения влияния входовых эф фектов на величину градиента давлений Аp/Az.
Распределение скоростей течения по диаметру трубы для расплава с реологическим поведением, подчиняющимся степенному закону, согласно работе [112] описывается следующей формулой
Численный расчет течения расплава в трубе был реализован с помощью программного комплекса ANSYS Polyflow, аналитический – с помощью уравнения (2.7).
Для работы с ANSYS использована программная платформа ANSYS Workbench. При численном моделировании на левой панели инструментов «Системы анализа» (Analysis Systems) выбирается анализ «Fluid Flow» («Polyflow»). В рабочей области «Project Schematic» проявляется модуль в виде структурной схемы, в которой каждому этапу соответствует раздел, содержащий объекты расчетной модели (рис. 2.5).
Для каждого объекта возможен ввод и редактирование свойств.
Для создания новой геометрической модели выбран раздел «Geometry» в структурной схеме модуля Fluid Flow («Polyflow») (рис. 2.5). Процесс построения осуществляется в программе для работы с геометрией ANSYS Design Modeler. После открытия Design Modeler появляется диалоговое окно с выбором единицы измерения длины. В рамках настоящего расчета в качестве единицы измерения выбран миллиметр.
Графический интерфейс программы состоит из окон с графиком модели 3D «Graphics», со схемой модели «Tree Outline», с детальным обзором функций «Details View», и с разнообразными панелями инструментов. Аналогична организация графического интерфейса других программ, которые использованы в дальнейших расчетах.
Так как поперечное сечение трубы симметрично, для уменьшения времени расчета за счет снижения числа конечных элементов в сеточной модели, рассмотрена четвертая часть канала. Для создания объема использован инструмент «Extrude» и построена труба длиной 200 мм. Затем таким экструдата на выходе из трубы. Для этого добавлена новая ось «Create» «New Plane», смещенная по оси Z на длину построенной трубы. Полученная геометрическая модель представлена на рисунке 2.6.
Для создания сеточной модели служит опция «Mesh» в структурной схеме модуля Fluid Flow (Polyflow) (рис. 2.5). В открывшейся программе Meshing в «Outline» используется раздел «Mesh», а в нижней части программы «Details of Mesh» – опции для работы с сеткой (рис. 2.7).
Инструменты для создания сетки позволяют генерировать сеточные модели для разных типов анализа. Во вкладке «Defaults» выбирается метод Рисунок 2.7 – Настройки сетки вычислительной гидрогазодинамики «CFD», решатель «Polyflow». Качество сеточной модели влияет на точность, сходимость и скорость получения решения. Пространственное разрешение в данном случае выбрано равным 0,8 мм. Тестирование показало, что дальнейшее сгущение расчетной сетки не влияет на результаты. Программа ANSYS Meshing позволяет задавать особые настройки сетки в требуемой зоне модели, используя команду «Mesh Control - Sizing». В нашем случае наибольший интерес представляют поверхности симметричные относительно вертикальной оси.
Для применения настроек сетки используется кнопка «Update». Во вкладке «Statistics» можно посмотреть полученные числа узлов и элементов.На рисунке 2.8 показан фрагмент канала трубы с наложенной сеткой. После закрытия ANSYS Meshing, переходят к следующему этапу CFX-Pre.
С помощью ANSYS PFL-Pre реализуется Рисунок 2.8 – Внешний вид фрагмента процесс определения физических параметров расчетной сетки модели трубы задачи. Физический препроцессор импортирует сетку, созданную на предыдущем шаге. Это следующий шаг постановки задачи, на котором определяется физическая модель, на основе которой происходит симуляция процесса, а также его основных параметров и характеристик. Модуль PFL-Pre позволяет определить начальные, граничные условия процесса (входные, выходные параметры) и различные модели.
Предобработке в PFL-PRE соответствует пункт «Setup» в структурной схеме модуля Fluid Flow (Polyflow) (рис. 2.5).
В открывшемся окне создана новая задача и опция «Generalized Newtonian isothermal flow problem» (Обобщенная ньютоновская проблема изотермического потока). В разделе «Материалы» выбран «Power Law» («степенной закон») и введены установленные (рис. 4.7) значения реологических коэффициентов расплава композиции (полиэтилен ПЭНД 273-83 - 32 %; полиэтилен ПЭВД 15303-003 - 32 %; СЭВА (Ф) 12206-007 - 10%; ПЭГ - 1%; измельченный свекловичный жом - 15 %) для температуры T = 160 C: коэффициента консистенции (k = 31569 Па сn) в переменной «fac», а в переменной «expo» – индекс течения (n = 0,359). Затем для характерных областей модели заданы граничные условия: скорость объемного потока на входе в канал Qp = 100 мм3/с, плоскость симметрии и значение скорости потока на стенке wz (r =10 мм) = 0.
После завершения настройки устанавливаются единицы измерения, в которых будет выражен полученный результат и сохраняются граничные условия и значения физических (реологических) характеристик.
Для запуска решателя в окне «Workbench» выбирается пункт «Solution» в структурной схеме модуля «Fluid Flow» («Polyflow») (рис. 2.2). После завершения вычислений записывается общий файл с основными данными, использованными и обработанными в «CFD-Post» после завершения расчета. Чтобы открыть CFD-Post, в окне Workbench выбирается пункт «Results» в структурной схеме модуля «Fluid Flow».
Программа «ANSYS CFD-Post» предназначена для анализа, визуализации и представления результатов, полученных в ходе решения задачи посредством «ANSYS CFX-Solver». Для этого – используются следующие средства:
– визуализация геометрии и исследуемых областей;
– векторные графики для визуализации направления и величины потоков;
– визуализация изменения скалярных величин (температура, давление) внутри исследуемой области;
– сохранение графиков, изображений и видеофильмов, полученных в результате анализа решения задачи.
На рисунке 2.9 представлены графики изменения давления в канале трубы, рассчитанные с помощью формулы (2.7) и в комплексе «ANSYS». При расчете для формулы (2.6) k = 31569 Па сn, n = 0,359, Qp = 100 мм3/с, wz (r =10 мм) = 0. Разница полученных значений входного давления составляет 0,88 МПа ( 13 %). Различие в результатах обусловлено тем, что в численном расчете уч тены потери давления на входе и выходе из трубы, обусловленные перестройкой эпюры скоростей расплава.
С целью снижения затрат времени на проведения расчетов изучено влияние количества узлов сетки на результаты расчета давления экструдата на выходе. Для этого исследовано несколько вариантов компоновки сетки с различным количеством узлов (конечных элементов).
Из рисунка 2.10 следует, что при числе элементов большем 100000 значения входного давления выходят на постоянное значение. Следовательно, дальнейшее увеличение числа конечных элементов в сетке не приводит к росту точности вычислений.
Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном двухшнековом экструдере сонаправленного вращения PolyLab Rheomex PTW 16 PolyLab
Целью данного исследования являлась отработка технологии компаундирования компонентов на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения с получением гранулята многокомпонентного компаунда.
Линия получения гранулята (рис. 3.11) состоит из блока привода и измерений HAAKE RheoDrive 7 OS, двухшнекового экструд ера-компаунд ера Rheomex PTW 16 PolyLab, охлаждающей ванны, гранулятора, вакуумного насоса, циркуляционного охладителя Accel 500LC, системы дозирующих устройств, включающей объемный одношнековый дозатор для полимерных гранул DRS 28, объемного двухшнекового дозатора волокнистых наполнителей MT 1, шнекового податчика для наполнителя Vertical Stuffer Feeder. Управление линией c персонального компьютера осуществляется через программу PolySoft OS, которая позволяет отобразить фактические настройки линии, предоставляет доступ к рабочим точкам всех контроллеров и отображает на дисплее данные измерений в виде графиков. При запуске программы автоматически устанавливается соединение с PolyLab OS и сканируются подключенные устройства (блок привода и измерений, двухшнеко-вый экструдер, дозаторы, датчики давления и датчики температуры по зонам нагрева экструдера), которые отображаются в графическом виде.
1. Блок привода и измерений RheoDrive 7 OS. Измерительные органы присоединяются при помощи самоцентрирующегося стыковочного узла и распо знаются программным обеспечением. Индивидуальные предельные величины па раметров для измерительных органов (температура, давление, крутящий момент) устанавливаются системой автоматически. Управление инструментом: ручное, пультом дистанционного управления, полное управление – программным обеспе чением Monitor Software. Двухдиапазонный датчик крутящего момента (120/400 Нм) имеет два диапазона: диапазон I – 0…120 Нм c разрешением 0,01 Нм; диапа зон II: 0…400 Нм с разрешение 0,1 Нм. Технические характеристики: мощность – 7 кВт; максимальная скорость – 280 об/мин; максимальный крутящий момент – 300 Нм.
2. Экструдер Rheomex PTW16/25 OS. Модульный 16-миллиметровый двухшнековый экструдер сонаправленного вращения с соотношением L/D 40:1. Горизонтально разъёмный цилиндр экструдера для удобства чистки, замены шне ков и исследования процесса. Сегментированная верхняя половина полностью съёмная, состоит из модулей и может быть переконфигурирована. Модули длиной 4D используются для подачи твердых и жидких компонентов или для дегазации и могут быть установлены в разных точках по длине экструдера. В систему могут быть интегрированы вторичные дозаторы и вакуумные насосы. Шнеки сегментированы и снабжены устройством для простого извлечения и переконфигурирования. Экструдер сконструирован для смешения и компаундирования малых количеств термопластов и композитов для количеств, начиная от 100 г. Сегментированные шнеки могут быть оптимизированы под прикладную задачу.
Технические характеристики: диаметр шнеков – 16 мм; соотношение L/D – 40:1; максимальная скорость – 1100 об/мин; максимальная производительность (в зависимости от материала) – 10 кг/ч; максимальная температура – 400 C; максимальное давление – 100 бар; максимальный крутящий момент – 130 Нм; зона загрузки – охлаждаемая; количество зон нагрева – 10;
Принадлежности: датчики температуры и давления материала; атмосферный дегазационный адаптер; набор сегментов для изменения конфигурации шнека; экструзионная головка стренга 1x3 мм.
3. Дозатор для основного загрузочного отверстия (подача гранулята – основной полимер или премикс гранул). Объемный одношнековый дозатор (OS, Type DRS28, CANopen bus technology) со шнеком для гранул S13/10 максимальной производительностью 12 л/ч.
4. Дозатор для раздельной подачи наполнителя (порошок, волокна) включает: 1) шнековый податчик для наполнителя Vertical Stuffer Feeder – в комплекте с адаптером, охлаждаемым воротником и штативом податчика, с регулировкой по высоте; 2) объёмный двухшнековый дозатор MiniTwin Feeder (OS), для порошка с производительностью 0,05...2,5 кг/ч и бункером емкостью 1 л с двумя комплектами шнеков для порошка максимальной производительностью 0,9 л/ч и 7 л/ч; связан с управляющим компьютером.
5. Дозирование жидких компонентов. Насос Liquid Feeding Pump OS с ручным управлением производительностью до 2,5 л/мин.
6. Система вакуумной дегазации. В комплекте с адаптером системы дегазации экструдера и вакуумным насосом.
7. Ванна для охлаждения стренга. Включает: водяную ванну с направляющими стренга (экструдата), систему термостатирования воды, циркуляционный охладитель (термостат) Accel 500 LC; воздушный осушитель стренга.
8. Гранулятор напольный. Имеет систему регулирования скорости протяжки и шага резки стренга, не связанную с управляющим компьютером.
9. Компрессор с ресивером 50 л. Технические характеристики: производительность – от 250 л/мин, давление – 8 бар, мощность двигателя – 1500 Вт; питание – 230 В.
Запуск оборудования производился следующим образом.
Включали зоны нагрева и устанавливали температурные контроллеры на требуемую температуру (программа PolySoft OS).
Экструдер прогревался до рабочих температур в течение 10…15 минут. Далее включали привод экструдера на малой частоте (5…10 об/мин) для проверки свободы вращения шнеков в цилиндре. После этого запускали программу PolySoft OS, а блок привода переводили на частоту вращения 50 об/мин. Через 5…10 мин включали дозаторы для подачи в загрузочное устройство двух базовых компонентов (гранул полиэтилена и растительного наполнителя). После появления расплава экструдата в фильере (стренги) скорость вращения шнеков экструдера увеличивали до достижения крутящего момента 60% от максимального значения 130 Нм. Стренга подавалась по направляющим роликам в охладительную ванну, далее в систему сдува капель и режущее устройство.
Для наполнителей с малой насыпной плотностью, таких как органические наполнители, разработаны системы принудительного питания экструдеров. В этом случае питатель подает муку в зону загрузки экструдера под некоторым давлением и обеспечивает, тем самым, достаточную плотность материала.
На первом этапе экспериментальных работ органический наполнитель подавали в шнековый податчик для наполнителя Vertical Stuffer Feeder при помощи объёмного двухшнекового дозатора MiniTwin Feeder (OS) MT-1.
Было принято решение вводить гранулы термопластов и органических наполнителей (пивной дробины и свекловичного жома) в загрузочное устройство с помощью указанных дозаторов одновременно, а пятикомпонентную композицию (см. раздел 4.2-4.4) получать в две стадии. Данный вариант привел к успешному решению поставленной задачи.
На первой стадии получали гранулят маточной смеси предварительно смешанных в миксере термопластов (ПЭНД + ПЭВД +СЭВА). На второй стадии в маточный компаунд вводился органический наполнитель из мелкодисперсного свекловичного жома и пивной дробины согласно рецепту (см. раздел 4).
Режимы переработки маточных компаундов и композиции приведены на рисунках 3.12 – 3.14. На рисунках 3.15 – 3.18 приведены основные особенности техпроцессов охлаждения и гранулирования компаундов.
Результаты исследования эксплуатационных и технологических свойств полученных композитов и их способности к биоразложению
Из рисунка 4.9 следует, что при содержании наполнителя большем 15 % наблюдается разрушение образцов при малых удлинениях, обусловленное дефектностью структур композита, аналогичное хрупкому разрушению термопластов. Зависимости средних значений физико-механических характеристик от содержания наполнителя в композитах и величины среднеквадратичных отклонений (для 5 образцов каждого состава) представлены в таблице 4.18. Значения истинной прочности вычислены по формуле (4.2).
Из результатов таблицы 4.18 следует, что с ростом содержания наполнителя происходит снижение как модуля упругости, так и пределов прочности образцов.
При содержании наполнителя свыше 20 % значения условной и истинной прочности различаются не более чем на 30…35 %.
На рисунке 4.10 приведена зависимость величин водопоглощения композитов от содержания наполнителя. Значения данного показателя определяли по ГОСТ 4650-80 (метод А, выдержка образцов в воде в течение 24 часов). Из графика следует, что имеет место существенная зависимость величины влагопоглощения от содержания наполнителя. В исследованном диапазоне концентраций (0…30 %), влагопоглоще-ние растет более чем в пять раз, что благоприятствует протеканию процессов биодеградации упаковочных изделий из разрабатываемых композитов. На рисунке 4.11 представлена зависимость комплексной вязкости (а) и динамического модуля сдвига (б) расплавов композитов при температуре приведения 150 С от скорости сдвига (угловой скорости осцилляций ротора при амплитуде 0,001 рад.) для шести концентраций наполнителя и полимерной матрицы.
Как видно из графиков, комплексная вязкость и модуль сдвига расплавов композитов в исследованном диапазоне концентраций наполнителя изменяется по отношению к полимерной матрице не более чем в 2…2,5 раза, что свидетельствует о хорошей технологичности композиций.
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что, несмотря на снижение себестоимости композита с ростом содержания наполнителя, рациональная концентрация последнего не должна превосходить 15…20 %. Данное ограничение связано со значительным падением истинной прочности композита при концентрациях, больших указанных значений.
Для более детального исследования реологических характеристик была выбрана композиция с содержанием свекловичного жома 15 %.
Обработка первичных кривых (рис. 4.11 а) в программном комплексе Rhe-oWin TTS (раздел 3.4.3) позволила установить, что реологическое поведение расплава указанной композиции с коэффициентом корреляции Пирсона R2 не ниже 0,99 подчиняется степенному уравнению Оствальда [72].
На рисунке 4.12 представлены полученные зависимости комплексной вязкости от скорости сдвига для различных значений температуры расплава.
Значения реологических констант для характерного диапазона температур переработки полиолефиновых композиций методом экструзии представлены в таблице 4.19. Таблица 4.19 – Уравнения трендов к рис. 4.10
Состав полимерной матрицы, как известно, оказывает большое влияние на прочностные характеристики композитов. В настоящем разделе проанализированы также свойства композитов, содержащих различные соотношения ПЭНД 273-83, ПЭВД 15303-003 и линейного полиэтилена (ЛПЭ).
В качестве наполнителя во всех композициях использован свекольный жом с содержанием 15%, в качестве связующего между наполнителем и полимерной матрицей – СЭВА (Ф) 10%. Для улучшения способности к биодеструкции и снижения энергозатрат при компаундировании вводили также ПЭГ в количестве 1 %. Результаты экспериментов представлены в таблицах 4.20 -4.21.
Из представленных результатов можно сделать следующие выводы. При использовании ПЭВД в качестве полимерной матрицы композитов происходит снижение прочностных характеристик. Введение в состав ЛПЭ позволяет улучшить физико-механические характеристики, однако использование соотношения ПЭВД и ПЭНД выглядит более предпочтительным. Самые высокие прочностные характеристики наблюдаются у состава с одинаковым соотношением ПЭВД и ПЭНД.
В таблице 4.22 представлены величины ХПК и потери массы композитов, наполненных свекловичным жомом.
Из таблицы 4.22 видно, что по мере увеличения наполнителя в композите химическое потребление кислорода единицей площади поверхности образцов возрастает. Также наблюдается увеличение потери массы образцов при выдержке их в лабораторном грунте.
Таким образом, применение в качестве наполнителя полиолефиновых тер мопластов свекловичного жома дисперсностью менее 200 мкм при содержании 15…25 % масс. позволяет получать биоразлагаемые композиты с хорошим комплексом эксплуатационных и технологических характеристик, достаточных для производства упаковочных материалов и изделий (пленки, контейнеры и др.) сельскохозяйственного назначения.