Обладнання та процес з’єднання елементів гнучкої упаковки термопластичним клейовим матеріалом

Ескіз

Файли

Herasymenko_dys.pdf (6.57 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Сокольський, Олександр Леонідович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Герасименко Ю.Ю. Обладнання та процес з’єднання елементів гнучкої упаковки термопластичним клейовим матеріалом. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 «Прикладна механіка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційну роботу присвячено дослідженню обладнання та процесів підготування термопластичного клейового матеріалу, утворення термоклейового з’єднання елементів упаковки та його механічних характеристик, що дає змогу обґрунтувати раціональні технологічні режими, потрібні для проєктування та експлуатації пакувального обладнання. Технологія з’єднання термопластичним клейовим матеріалом широко застосовується в хімічній, харчовій і текстильній галузях промисловості для утворення з’єднань в картонно-паперовому, полімерному й комбінованому пакованні. Для задоволення потреб споживачів необхідно забезпечити достатній рівень міцності паковання та зручність його використання. Тому при створенні міцної якісної упаковки важливо приділяти особливу увагу правильному підбору матеріалів та обладнання, а також підготовці розплаву термопластичного клейового матеріалу та процесу з’єднання поверхонь. Отже, розуміння поведінки термоклейових з’єднань, яка залежить від вибору типу клею, часу затвердіння, типу з’єднання, товщини лінії склеювання тощо, дає змогу створити міцне й надійне з’єднання. Проведено аналітичний огляд сучасного стану дослідження процесу плавлення термопластичного клейового матеріалу (термоклею) та процесу руйнування термоклейового з’єднання. Розглянуто існуючі методи моделювання обладнання та процесу плавлення термоклею та утворення термоклейового з’єднання. За результатами проведеного огляду встановлено, що при моделюванні процесу плавлення враховується низка параметрів, таких як зміна властивостей полімерного матеріалу з температурою, дисипація, конфігурація прутка та ін. Встановлено, що наявні математичні моделі течії полімеру у каналах різного перерізу недостатньо враховують вплив зміни фізико-механічних параметрів і граничних умов від температури. Розглянуті сучасні конструкції для розплаву та нанесення термоклею мають ряд недоліків, зокрема повільний процес плавлення та його нерівномірність, а також недостатню інтенсивність набуття полімерним матеріалом температури плавлення. Тому постає задача з вдосконалення обладнання для підвищення швидкості та ефективності плавлення термопластичного клейового матеріалу. А розробка надійних методів проєктування та прогнозування поведінки термоклейових з’єднань під час розкриття паковання дасть змогу більш ефективно використовувати клейові матеріали в пакувальній індустрії. Для моделювання процесу плавлення термоклею в роботі використано математичну модель неізотермічного руху розплаву полімеру в каналі, яка складається з рівняння нерозривності, нестаціонарних рівнянь збереження кількості руху та енергії. У математичній моделі враховано зміну коефіцієнта ковзання на поверхні каналу від температури. Розв’язана задача переходу від твердого до в’язкотекучого стану й навпаки з урахуванням закону в’язкості Кросса (Cross Law) і температурного закону Арреніуса. Проведено дослідження ефективності плавлення термоклею в розплавлювачах чотирьох конфігурацій: циліндричної форми, існуючої конфігурації – циліндричної форми з соплом, трубчастої форми з дорном та черв’ячного типу. Це дало змогу встановити взаємозалежність між швидкостями подачі й температурою термоклею на виході з сопла із врахуванням дисипативних ефектів, залежності властивостей матеріалу та граничних умов від температури. Отримані результати довели доцільність використання вдосконаленої конфігурації розплавлювача термоклею (трубчастої форми з дорном), оскільки гранична швидкість подачі термоклею в ньому вдвічі перевищує швидкість для матеріалу й пристрою традиційної форми (циліндричного каналу). Визначено раціональну геометрію з точки зору найбільшої інтенсивності нагріву термоклею: розплавлювач трубчастої форми з кутом загострення дорна 15, кутом загострення сопла 15 і діаметром дорна 2,5 мм. Дослідження плавлення у розплавлювачі для термоклею трубчастої форми показало, що така конфігурація дає змогу збільшити продуктивність у 2,4 рази зі збереженням енергоспоживання порівняно з традиційною конфігурацією. Запропоновано більш раціональну конструкцію розплавлювача термопластичного клейового матеріалу черв’ячного типу з попередньо виготовленим прутком у вигляді стрічки. Перевагами запропонованої конструкції над існуючими є збільшення швидкості плавлення полімерного матеріалу, зменшення габаритів і маси пристрою, зменшення енергоємності та зручність у використанні. Для дослідження процесу плавлення термоклею в черв’ячному каналі розроблено комп’ютерну розрахункову модель на базі методу скінченних елементів і проведено числові розрахунки. У результаті розрахунків було отримано розподіл температур по довжині каналу вздовж осі черв’яка за різних значень кутової швидкості черв’яка. Визначено, що доцільним для забезпечення заданої температури розплаву значенням кутової швидкості черв’яка є 2,5 рад/с. Отримано залежності, що дають змогу регулювати температуру термоклею на виході з нагрівного каналу розплавлювача та витрати матеріалу під час зміни швидкості черв’яка. Змодельовано процес утворення шва термоклейового матеріалу під дією зусилля притиску та охолодження. Спрогнозовано залежність форми шва від значення зусилля притиску та витрати термоклейового матеріалу, що дає змогу визначити доцільне значення цих параметрів для забезпечення оптимальної та достатньої міцності з’єднання. Збільшення притискного зусилля валків дає змогу збільшити ширину шва за логарифмічною залежністю. Результати моделювання підтверджено експериментально. Для моделювання процесу руйнування термоклейового з’єднання використано математичну модель адґезійної зони на базі механіки суцільних середовищ з використанням параметрів міцності та енергії для прогнозування поширення тріщини в з’єднанні. Математична модель включає рівняння повної потенціальної енергії, рівняння довжини тріщини та критичної енергії руйнування в рамках гіпотези Ейлера–Бернуллі (Euler–Bernoulli). Експериментально встановлено зв’язок між витратою термоклею й міцністю термоклейового з’єднання, а також отримано найбільш доцільне з точки зору міцності значення витрати. а саме витрата термоклею в діапазоні 0,07–0,1 г/с та питома витрата в діапазоні 0,035–0,005 г/мм. Встановлено, що міцність термоклейового з’єднання не залежить від ширини шва. Розглянута модель та методика числового моделювання міцності термоклейових з’єднань надають можливість прогнозувати необхідне й достатнє значення міцності з’єднань для зручного роз’єднання споживачем, а з іншого боку для унеможливлення саморозгерметизації. Створено методику проведення відповідних досліджень та експериментальні установки для їх проведення, які використовуються у навчальному процесі на кафедрі хімічного, полімерного і силікатного машинобудування КПІ ім. Ігоря Сікорського. Удосконалені конструкції пристрою для плавлення та нанесення термоклею захищено патентами України на корисну модель. Проведено експериментальні дослідження на розрив стрічкових зразків гнучких пакувальних матеріалів, з’єднаних розплавом термоклею за різних технологічних режимів нанесення: за різної швидкості подачі прутка термоклею, протяжки та притискного зусилля. Дослідження на міцність термоклейового з’єднання дали змогу встановити залежність розривного зусилля від витрати термоклею, яка показала, що раціональна для досягнення максимальної міцності з’єднання витрата матеріалу становить 0,005 г/мм. Встановлено, що міцність термоклейового з’єднання не залежить від ширини шва. Також дослідження міцності з’єднання паперових зразків силікатним клеєм, клеєм на основі полівінілацетату та термоклеєм показали перевагу у використанні термоклею для створення з’єднань. Наукова новизна одержаних результатів полягає у створенні методів дослідження і вдосконалення обладнання та процесу утворення й руйнування термоклейового з’єднання, що забезпечує визначення конструктивних параметрів обладнання і раціональних технологічних режимів для здійснення процесу з’єднання термопластичним клейовим матеріалом. Науково-технічні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри хімічного, полімерного і силікатного машинобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», а також у ТОВ «Агросвіт» (м. Київ), що підтверджено актами впровадження.

Опис

Ключові слова

пакувальні машини, полімер, термопластичний клейовий матеріал, плавлення, клейове з’єднання, руйнування з’єднань, математична модель, числове моделювання, поле температур, механічні властивості, міцність, packing machine, polymer, thermoplastic hot-melt adhesive, melting, adhesive joint, strength of a joint, mathematical model, numerical simulation, temperature field, mechanical properties, strength

Бібліографічний опис

Герасименко, Ю. Ю. Обладнання та процес з’єднання елементів гнучкої упаковки термопластичним клейовим матеріалом : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Герасименко Юлія Юріївна. – Київ, 2023. – 157 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/61986

DOI

Зібрання

Дисертації (ХПСМ)
Дисертації (вільний доступ)