Наукові засади розроблення обладнання і процесів перероблення полімерних матеріалів методом екструзії

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorМікульонок, Ігор Олегович
dc.contributor.authorСокольський, Олександр Леонідович
dc.date.accessioned2020-09-16T08:24:19Z
dc.date.available2020-09-16T08:24:19Z
dc.date.issued2020
dc.description.abstractukДисертаційна робота присвячена дослідженню особливостей обладнання та процесів для підготовки, змішування розплавів композицій на базі матричного полімеру з іншим полімером, рідким або дисперсним наповнювачем та формування виробів за умов урахування нелінійної поведінки матеріалів, теплообміну, фазових переходів та інших особливостей технологічних процесів. Використання результатів роботи дадуть можливість скоротити терміни та вартість проєктування нового обладнання шляхом заміни конструктивних уточнень методом багаторазових механічних доведень на числові експерименти і автоматизоване проєктування конструктивних елементів залежно від властивостей полімерних матеріалів. Надані за результатами роботи висновки, методики, конструктивні пропозиції та рекомендації дадуть змогу підвищити конкурентоздатність розробок вітчизняних проєктувальників полімерного обладнання та виробників полімерної продукції, замінювати імпортні полімерні вироби та обладнання вітчизняними аналогами. Проведений аналіз сучасного стану дослідження екструзійного обладнання та процесів показав недостатню дослідженість особливостей руху полімерних матеріалів у зонах живлення та плавлення. Виявлено, що механічні властивості гранульованих полімерів відрізняються від суцільних матеріалів, особливо за низького тиску. Для одержання достатньої точності розрахунків процесу живлення необхідна відповідна точність функцій, які описують залежність коефіцієнтів тертя, бокового тиску, стисливості гранул тощо. Під час моделювання процесу плавлення полімеру розрахункові значення відносної площини пробки по довжині черв’ячного каналу значно відрізняються від експериментальних. Існуючі методики розрахунку показників якості змішування базуються на визначені усереднених величин і не дають можливості виконувати детальний аналіз впливу конструктивних особливостей устаткування показники якості змішування, визначення застійних зон тощо. Під час розгляду формувального устаткування зазвичай нехтують ефектами в’язкопружності полімерів. Неврахування даних ефектів може призвести до невідповідності зекструдованих полімерних виробів заданій формі та розмірам. Під час проєктування калібрувальних та охолоджувальних пристроїв нерівномірне або занадто інтенсивне охолодження спричинює утворення технологічних напружень у стінці виробу, що може погіршити якість та спричинити появу дефектів форми. Тому необхідно розраховувати та оцінювати розподіл температур і напружено-деформований стан (НДС) виробу, ним спричинений. Розроблено уточнені математичні моделі неізотермічного тривимірного руху реологічно складних середовищ у каналах довільної форми з рухомими й нерухомими елементами із врахуванням пристінних ефектів та пружної деформації конструктивних елементів. Реалізація розробленої фізичної моделі на базі систем гідродинамічного моделювання показала можливість коректного завдання розрахункової схеми та інтерпретації отриманих результатів засобами цих систем і дозволила отримати науково обгрунтовані параметри процесу плавлення полімеру в черв’ячному каналі і конструктивних параметрів зони плавлення. При цьому отримано пояснення відомих на практиці ефектів, що не вкладаються в рамки раніш створення моделей. Розроблені принципово нові фізичні і математичні моделі плавлення полімеру в каналі екструдера, сутність яких полягає в тому, що процес плавлення поділяється на два етапи: спочатку руйнується поверхневий шар твердої пробки, який переходить у шар текучої суміші з твердої і рідкої фаз, а потім під дією дисипативного тепла відбувається плавлення твердої частини в об’ємі суміші. Здійснена дискретизація математичних моделей на основі моментної схеми метода скінченних елементів. Вона дозволяє виконувати гідродинамічний аналіз процесів формування полімерних матеріалів у вироби та здійснювати розрахунки міцності й витривалості конструкцій при термосилових навантаженнях. Проведена адаптація розроблених моделей для уточненого визначення полів розподілу швидкості, температури, тиску, деформації та інших параметрів у процесах підготовки та формування полімерних виробів з урахуванням пристінних ефектів зміни в’язкості, проковзування, дисипації тощо. Це дозволяє розраховувати та оптимізувати основні параметри технологічних процесів формування полімерних виробів. На основі розроблених моделей виконані розрахунки зони плавлення екструдера і виявлені особливості температурного поля, поля швидкостей, розподілу величини в’язкості і процесу плавлення твердої пробки полімеру. Досліджено еволюцію процесів руйнування та плавлення пробки гранул та виявлено основні фактори, що суттєво впливають на ці процеси. Встановлено ефекти, що не враховується багатьма існуючими моделями процесу плавлення полімерів. На базі створеної математичної моделі проведено серію числових моделювань процесу плавлення в модельних та черв’ячних каналах різної геометрії, отримано поля розподілу температур, швидкостей та інших параметрів полімеру, а також геометрію поверхні розділу твердої та рідкої фаз, що дозволило дослідити закономірності процесу. Виявлено, що головну роль у розподілі температури в зоні плавлення відіграє тепло, обумовлене тертям матеріалу об стінки обладнання, та енергія дисипації в’язкої деформації. Спостерігається помітна нерівномірність розподілу швидкостей у перерізах вздовж каналу. Таким чином, відбувається конвективний теплообмін вздовж каналу черв’яка, що не враховується багатьма існуючими моделями процесу плавлення полімерів. Експериментальні та числові дослідження показують, що з руйнуванням залишків пробки плавлення не закінчується , виникає ризик виносу твердих часток полімеру в зону формування, що може призвести до дефектів у виробах. Створена математична модель, яка дозволяє моделювати процеси гомогенізації, змішування в’язких рідин з іншими компонентами та між собою. Розроблено дискретні математичні моделі течії розплавів полімерних композицій у змішувальних каналах. Розроблено узагальнену математичну модель дослідження течії нелінійно в’язких рідин з урахуванням пружної деформації конструктивних елементів каналів технологічного обладнання. Запропоновано математичну модель процесу температурної гомогенізації полімерного розплаву на базі співвідношень нелінійної механіки суцільних середовищ. Виконано числові моделювання процесу температурної гомогенізації в бар’єрному змішувачі, встановлено основні закономірності та визначено його раціональні параметри. Досліджено закономірності розподілу концентрації барвника в змішувальних зонах різного конструктивного оформлення. Перенесення дисперсійного компонента в розплаві полімеру, що рухається в каналі динамічного змішувача відбувається переважно поблизу рухомої стінки. Результати числових досліджень показали, що збільшення довжини змішувального каналу не призводить до істотних змін концентрації барвника, а призводить лише к збільшенню нерівномірності по локальних зонах перерізу. Таким чином, довгі змішувальні канали з однорідними умовами змішування мало ефективні порівняно із системою коротких каналів. Було досліджено розподіл концентрації барвника в коаксіальному зазорі. Для покращення процесу змішування в каналі необхідні радіальні конструктивні елементи, які збурюють потік у радіальному напрямку, утворюючи циркуляційні зони. За відсутності таких конструктивних елементів змішування відбувається лише в коловому напрямку за рахунок деформації зсуву. Оскільки якість змішування не є однаковою за різних значень довжини та частоти обертання, то при застосуванні динамічних змішувачів доцільніше виконувати довшу зону змішування, ніж збільшувати швидкість обертового руху ротора. Досліджено залежність ефективності змішування від співвідношення в’язкостей дисперсійного середовища до диспергованого матеріалу. Для досягнен- ня більшої ефективності змішування, доцільно введення диспергованого матеріалу в коаксіальний змішувальний канал при обертанні зовнішнього циліндра. Досліджено змішування двох полімерів у черв’ячному каналі. Наведені результати ілюструють ефективність числових методів аналізу змішувальної спроможності полімерного обладнання на базі розробленої методики досліджень полів розподілу концентрацій компонентів суміші по аналогії з розподілом температури полімеру при його течії в робочих каналах. Встановлено, що змішування під час введення диспергованого матеріалу в дисперсійне середовище біля осердя обертового черв’яка відбувається практично вдвічі швидше, ніж під час введення диспергованого матеріалу біля зовнішнього радіуса обертового черв’яка. Тому доцільним є використання варіанту введення диспергованого матеріалу в дисперсійне середовище біля осердя обертового черв’яка. Запропоновані алгоритми та методика числових розрахунків, які дають можливість аналізувати розподіл течії полімерних матеріалів у формувальних каналах полімерного устаткування з рухомими та нерухомими деформівними стінками. Розроблені математична модель та методика можуть застосовуватись для практичного використання в проєктуванні формувального устаткування і оптимізації його конструктивно-технологічних параметрів. Отримані дані дозволяють прогнозувати величину й характер деформації формувальних елементів та врахувати її вплив на рівнотовщинність виробу, що формується. Проведені уточнені числові експерименти дозволили сформулювати рекомендації для розробників та експлуатаційників полімерного обладнання. Запропонована методика моделювання й проєктування екструзійних головок, яка дозволяє визначати необхідну конфігурацію екструзійної головки й зокрема її випускного отвору (фільєри) для досягнення заданої форми перерізу екструдату після його стабілізації. Отримано розподіл технологічних напружень по довжині труби за різних режимів процесу охолодження. Результат розрахунків дав змогу встановити, що найбільші напруження виникають за умови двостороннього охолодження водою, які можуть призвести до погіршення якості труби. Найбільш ефектив- ним з точки зору «інтенсивність охолодження – технологічні напруження» є двостороннє комбіноване охолодження (зовнішнє - вода, внутрішнє - повітря). Розроблено методики експериментальних досліджень закономірностей про- цесів живлення екструдера гранульованим полімером, плавлення, розширення екструдату після його виходу з формувального інструменту. Створено експериментальні установки. Проведено дослідження, які дозволили встановити фізичні властивості різних полімерних матеріалів на різних стадіях процесу екструзії. Наведено розроблені та запатентовані конструкції установок для дослідження коефіцієнтів тертя та бічного тиску гранульованих матеріалів, основних конструктивних елементів екструдерів, конструктивні пропозиції з удосконалення конструкцій екструзійних головок та методики їх проєктування. Науково-технічні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальному процесі, у промислових зразках переробного обладнання у вигляді технологічних рекомендацій на ТОВ НВП «ІНКОС», м. Чернігів, ТОВ НВП «Енергія 2000» (м. Київ), ПАТ НВП «Більшовик» (м. Київ), ТОВ «Гамапласт Україна» (м. Бориспіль).uk
dc.format.page370 с.uk
dc.identifier.citationСокольський, О. Л. Наукові засади розроблення обладнання і процесів перероблення полімерних матеріалів методом екструзії : дис. … д-ра техн. наук : 05.05.13 – машини та апарати хімічних виробництв / Сокольський Олександр Леонідович. – Київ, 2020. – 370 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/36221
dc.language.isoukuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectполімерuk
dc.subjectекструзіяuk
dc.subjectзмішуванняuk
dc.subjectплавленняuk
dc.subjectмоделюванняuk
dc.subjectформуванняuk
dc.subjectохолодженняuk
dc.subject.udc[678.027.3+678.057.3]:678.073(043.3)uk
dc.titleНаукові засади розроблення обладнання і процесів перероблення полімерних матеріалів методом екструзіїuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Sokolskyi_diss.pdf
Розмір:
19.04 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.06 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ХПСМ)
Дисертації (вільний доступ)