Обладнання та процес з’єднання елементів гнучкої упаковки термопластичним клейовим матеріалом
| dc.contributor.advisor | Сокольський, Олександр Леонідович | |
| dc.contributor.author | Герасименко, Юлія Юріївна | |
| dc.date.accessioned | 2023-11-02T13:42:52Z | |
| dc.date.available | 2023-11-02T13:42:52Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | Herasymenko Yuliia. Equipment and process of connecting flexible packaging elements with thermoplastic adhesive material. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. A thesis for obtaining a scientific degree of a Ph.D on specialty 131 – “Applied Mechanics”. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the study of equipment and processes for the preparation of thermoplastic adhesive material (hot-melt adhesive), the formation of a hot-melt adhesive connection of packaging elements, and its mechanical characteristics, which makes it possible to substantiate rational technological regimes necessary for the design and operation of packaging equipment. The technology of joining with thermoplastic adhesive material is widely used in the chemical, food, and textile industries for the formation of joints in cardboard, paper and polymer packaging. To meet the needs of consumers, it is necessary to ensure a sufficient level of packaging strength and ease of use. Therefore, when creating durable high-quality packaging, it is important to pay special attention to the correct selection of materials and equipment, as well as the preparation of the thermoplastic adhesive melt and the process of connecting surfaces. Therefore, understanding the behavior of hot-melt joints, depending on the choice of adhesive type, curing time, type of joint, adhesive line thickness, etc., allows creating a strong and reliable connection. An analytical review of the current state of the study of the melting process of thermoplastic adhesive material (hot-melt adhesive) and the process of destruction of a thermo-adhesive joint during its opening has been carried out. Existing methods for modeling equipment and the process of melting hot-melt and forming a hot-melt joint are considered. According to the results of the review, was found that when modeling the melting process, some parameters are taken into account, such as changes in the properties of the polymer material with temperature, dissipation, rod configuration, etc. It has been established that the existing mathematical models of polymer flow in channels of different cross-sections do not sufficiently take into account the influence of changes in physical and mechanical parameters and thermal boundary conditions. The considered modern designs for melting and applying hot-melt adhesive have several disadvantages, for example, a slow melting process and its unevenness, as well as the insufficient intensity of acquiring the melting temperature by the polymer material. Therefore, the task arises to improve equipment to increase the speed and efficiency of melting thermoplastic adhesive material. And the development of reliable methods for designing and predicting the behavior of hot-melt adhesives when opening the package will allow more efficient use of adhesive materials in the packaging industry. To simulate the melting process of hot-melt adhesive, a mathematical model of the non-isothermal motion of a polymer melt in a channel was used, which consists of a continuity equation, non-stationary equations of conservation of momentum and energy. The mathematical model takes into account the change in the coefficient of slip on the channel surface as a function of temperature. The problem of melting is solved taking into account the Cross Law of viscosity concerning the shear rate. Investigations were carried out on the melting efficiency of a hot-melt adhesive rod in melters of four configurations: a cylindrical shape, the existing configuration a cylindrical shape with a nozzle, a tubular shape with a mandrel, and a screw type. This made it possible to establish the interdependence between the feed rates and the temperature of the hot-melt adhesive at the outlet of the nozzle, taking into account dissipative effects, the dependence of material properties, and thermal boundary conditions. The results obtained showed the feasibility of using an improved configuration of the hot-melt stick (a tubular shape with a mandrel), because the maximum feed rate of such a stick is twice the speed of the material and device of a conventional shape. Rational geometry is determined from the point of view of the highest heating intensity of the bar: a tubular bar with a mandrel sharpening angle of 15, a nozzle sharpening angle of 15, and a mandrel diameter of 2,5 mm. A study of a melter with a tubular rod configuration has shown that it can increase productivity by 2,4 times while maintaining energy consumption compared to a traditional configuration. A more rational design of a screw-type thermoplastic adhesive melter with a prefabricated rod in the form of a tape is proposed. The advantages of the proposed design over the existing ones are: increasing the melting rate of the polymer material, reducing the size and weight of the device, reducing energy consumption and ease of use. To study the melting process of hot melt in the screw channel, a computer calculation model based on the finite element method was developed and numerical calculations were made. As a result of the calculations, the temperature distribution along the length of the channel along the axis of the screw was obtained for different values of the angular velocity of the screw. It is determined that the optimal value of the angular velocity of the screw is 2.5 rad/s. Dependences have been obtained that make it possible to control the temperature of the hot-melt adhesive at the outlet of the heating channel and the consumption of material when changing the values of the screw speed. The process of formation of a hot-melt adhesive seam under the action of pressing force and cooling is simulated. The dependence of the shape of the seam on the value of the pressing force and the consumption of hot-melt adhesive material is predicted, which makes it possible to determine the appropriate value of these parameters to ensure optimal and sufficient strength of the joint. Increasing the downforce of the rolls makes it possible to increase the seam width proportionately. The simulation results are confirmed experimentally. To simulate the process of destruction of an adhesive joint, a mathematical model of the adhesion zone based on continuum mechanics was used with the use of strength and energy parameters to predict the propagation of a crack in the joint. The mathematical model includes the equation of the total potential energy, the equation of the crack length, and the critical fracture energy (according to the Euler-Bernoulli beam theory). The connection between the consumption of hot-melt adhesive and the strength of the hot-melt adhesive was experimentally established, and the most appropriate consumption value from the point of view of strength was obtained. It has been established that the strength of the adhesive joint does not depend on the width of the seam. The considered model and the method of numerical modeling of the strength of adhesive joints make it possible to predict the necessary and sufficient value of the strength of the joints for convenient separation by the consumer, and on the other hand, to prevent self-depressurization. A methodology for conducting relevant research and experimental facilities for their implementation, which are used in the educational process at the Department of Chemical, Polymer and Silicate Engineering of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute". Improved designs of the device for melting and applying hot-melt adhesive are protected by utility model patents of Ukraine. Experimental studies on the rupture of tape paper samples connected by a hot-melt adhesive melt were carried out under various technological application modes: at different feed rates of the hot-melt adhesive rod, broaching, and clamping force. Studies on the strength of the hot-melt adhesive connection made it possible to establish the dependence of the braking force on the consumption of hot-melt adhesive, which showed that the rational material consumption to achieve the maximum strength of the connection is 0,005 g/mm. It has been established that the strength of the adhesive joint does not depend on the width of the seam. Also, studies of the bonding strength of paper samples with silicate glue, polyvinyl acetate-based glue, and hot-melt adhesive showed the advantage of using hot-melt adhesive to create joints. The scientific novelty of the results obtained lies in the creation of methods for the development and improvement of equipment and the process for creating a hot-melt adhesive, which ensures the determination of the design parameters of the equipment and rational technological modes for the implementation of the process of joining with a thermoplastic adhesive material. The scientific and technical results of the dissertation work were introduced into the educational process of the Department of Chemical, Polymer and Silicate Engineering of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", as well as to the LLC “Agrosvit” (Kyiv), which is confirmed by implementation acts. | uk |
| dc.format.extent | 157 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/61986 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | пакувальні машини | uk |
| dc.subject | полімер | uk |
| dc.subject | термопластичний клейовий матеріал | uk |
| dc.subject | плавлення | uk |
| dc.subject | клейове з’єднання | uk |
| dc.subject | руйнування з’єднань | uk |
| dc.subject | математична модель | uk |
| dc.subject | числове моделювання | uk |
| dc.subject | поле температур | uk |
| dc.subject | механічні властивості | uk |
| dc.subject | міцність | uk |
| dc.subject | packing machine | uk |
| dc.subject | polymer | uk |
| dc.subject | thermoplastic hot-melt adhesive | uk |
| dc.subject | melting | uk |
| dc.subject | adhesive joint | uk |
| dc.subject | strength of a joint | uk |
| dc.subject | mathematical model | uk |
| dc.subject | numerical simulation | uk |
| dc.subject | temperature field | uk |
| dc.subject | mechanical properties | uk |
| dc.subject | strength | uk |
| dc.subject.udc | 621.798.15:[621.791/.792+678.073](043.3) | uk |
| dc.title | Обладнання та процес з’єднання елементів гнучкої упаковки термопластичним клейовим матеріалом | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Herasymenko_dys.pdf
- Розмір:
- 6.57 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: