|
|
|
Главная --> Справочник терминов Диссипативного разогрева Каландрование обычно используют для формования пленки из термопластов с высокой вязкостью расплава. Этот процесс особенно удобен для переработки полимеров, склонных к термодеструкции или содержащих значительные количества твердых добавок. Такая возможность является следствием способности каландра транспортировать большие количества расплава при незначительном уровне диссипации механической энергии (по сравнению с экструзией). Толщина каландруемого изделия должна быть одинаковой в продольном и поперечном направлениях. Любые изменения зазора, возникающие вследствие неправильной геометрии зазора, обусловленной неверной установкой, температурным расширением или прогибом валка, приводят к поперечной разнотолщин-ности. Во-первых, полимер обязательно должен быть полярен. Но это немедленно вызывает «во-вторых». Например, многие хорошие изоляторы для постоянного тока начинают проводить в случае переменного, даже не очень высокой частоты. Классическим в этом смысле объектом является поливинилхлорид. В то время как диссипация механической энергии за счет внутреннего трения в нем происходит по тем же законам, что в других гибкоцепных полимерах примерно той же гибкости, в переменном электрическом поле возникает совершенно иная ситуация. Невозможность свободного движения дипольных участков повторяющихся звеньев «в такт» полю приводит к гораздо более сильному саморазогреву, чем при диссипации механической энергии. Начинается химическая деградация, появляется ионная проводимость, и диэлектрик перестает быть изолятором. Это касается его использования, а при исследовании возникает ряд a priori неучитываемых обратных связей, резко ограничивающие область ТВЭ малыми частотами — подчас даже ниже 50 Гц. При течении резиновой смеси по литниковым каналам осуществляется ее нагрев за счет диссипации механической энергии и за счет теплообмена с нагретой стенкой формы. Прирост температуры смеси за счет диссипации может быть определен из уравнения энергетического баланса для адиабатического режима течения: Поиском возможных путей моделирования процесса переработки ПВХ композиций занимались авторы [30, 93]. Оценку перерабатыва-емости они проводили на лабораторном зкструдере, а полученные результаты представляли в виде обобщающих параметров процесса, связанных с качеством получаемых изделий. В [93] за обобщающий параметр переработки была принята температура расплава Гр перед формованием, а за обобщающий критерий качества - плотность материала. Очевидно, что Гр зависит от температуры по зонам зкструдера и головки, а также от диссипации механической энергии, т.е. является интегральным показателем энергетического воздействия на полимер. В [21] плотность материалов использовали в различных методах для оценки качества изделий. Однако авторы [16], исследуя влияние Условий переработки пластифицированных ПВХ композиций на качество материалов, пришли к иному выводу. Они показали, что Материалы, полученные в различных условиях, значительно отличаются по физико-механическим свойствам, но крайне мало по плотности (в интервале ± 0,3 кг/см3). Тем не менее использование температуры Расплава и плотности в качестве обобщающих параметров процесса переработки ПВХ материалов вполне приемлемо. Длина измерительного канала была выбрана сравнительно небольшой, чтобы уменьшить прирост температуры расплава за счет диссипации механической энергии при течении. Небольшая высота канала обеспечивала интенсивный отвод тепла в направлении, перпендикулярном потоку, что также способствовало уменьшению роста температуры расплава при течении. С учетом сказанного выше были выбраны следующие размеры плоского канала: Я-0,5 мм, В-10 мм и 1-20 мм (см. рис. 7.4). Поскольку отношение высоты и ширина канала Н:В = 0,1 расчет напряжений и скоростей сдвига проводили по формулам [52] с учетом поправки по Рабиновичу-Вайсенбергу [63]. Для уменьшения градиента температур расплава в головке пластикацию осуществляли при низких частотах вращения шнека (не более 20 мин-1)- Колебание температуры в потоке составляло при этом не более 5 "С, что хорошо согласуется с данными [6]. Поправку на пьезоэффект не вводили, так как согласно [128] при перепаде давлений до 20 МПа ошибка измерений не превышает 1%. Каландрование широко применяется в производстве многочисленных изделий из ПВХ благодаря высокой единичной мощности линий (до 40 млн. м2/год) при минимальной разнотолщинности (±5 мкм) выпускаемых пленок. На производстве каландровых установок специализируются ведущие фирмы ФРГ ("Берсторф", "Крафттанля-ген"), Японии ("ИХИ"), а также Тайваня и Южной Кореи. Хотя в производстве пленочных ПВХ материалов каландрование1 относят к интенсивным с точки зрения капиталовложений способам переработки, это- высокопроизводительные прецизионные установки с длительным сроком службы и высоким производственным потенциалом. Каландрование! используют для формования пленок из термопластов с высокой вязкостью расплава и склонных к термодеструкции. Это обусловлено способностью каландра транспортировать большие количества расплава при высоком термомеханическом воздействии и незначительном росте температуры за счет более интенсивного отвода тепла диссипации механической энергии по сравнению с экструзией В процессе каландрования эти условия должны соблюдаться для достаточно широкого интервала скоростей сдвига и температур, которые вследствие диссипации механической энергии постоянно связаны. Практически это проявляется в существовании зависимости между величиной запаса, особенно в калибрующем (последнем) зазоре, и качеством получаемой пленки. Например, при низкой температуре запас "разваливается", и движение материала приобретает хаотический характер вместо направленного движения от центра к краям. В этом случае полученная пленка имеет Непроплавленные "холодные" пятна, поверхностные дефекты, известные под названиями "воздушные полосы" или "серые полосы". Толщина пленки может быть неоднородной, а конечный продукт будет иметь участки с натя-кениями, что приводит к низкой стабильности размеров и высокой 'садке. Если же запас имеет высокую температуру, расплав прилипает с валкам каландра, пленку трудно снять с валков, она пузырится, юявляются небольшие полосы на поверхности. Таким образом, одним из наиболее важных технологических аспек-:ов каландрования является регулирование температуры расплава. 1ело в том, что при высоких скоростях каландрования (более 'Ом/мин) даже в пластифицированных ПВХ композициях тепло, обра-'Ующееся в расплаве в результате диссипации механической энергии, 'ревышает тепловой поток от валка к полимеру. Учитывая большую ^ассу валков и, как следствие этого, большую тепловую инерцию йстемы их термостатирования, выход на стабильный режим зависит и ^ условий теплообмена с воздухом производственного помещения. 1аряду с другими необходимыми условиями получения ПВХ пленок 3Ысокого качества являются поддержание в производственных поме- 11.9. Прямолинейно-параллельное течение псевдопластичной жидкости при наличии диссипации механической энергии и теплообмене И.9. ПРЯМОЛИНЕЙНО-ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ТЕЧЕНИЕ ПСЕВДОПЛАСТИЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ НАЛИЧИИ ДИССИПАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ В настоящем разделе рассмотрено гипотетическое течение псевдопластичной жидкости, в котором изменение температуры среды достигается за счет разогрева вследствие диссипации механической энергии и теплообмена с окружающей средой. Принимаем, что для такого одномерного течения остаются справедливыми все ранее полученные зависимости, градиент температур в поперечном направлении отсутствует и температура на границе потока известна. Схема капиллярного вискозиметра приведена на рис. 6.1. Особое внимание обычно уделяют обеспечению однородного поля температур и исключению потерь на трение между плунжером и цилиндром. Эксперименты проводят либо в режиме постоянного давления, либо в режиме постоянного расхода. При очень малых значениях расхода нельзя пренебрегать действующими на вытекающий экструдат силами поверхностного натяжения, силами тяжести и трением между поршнем и цилиндром. Поэтому при малых расходах значения вязкости оказываются завышенными. Капиллярная вискозиметрия позволяет определять вязкость до скоростей сдвига, при которых начинается дробление расплава (см. разд. 13.2). При высоких скоростях сдвига дополнительные осложнения возникают из-за интенсивного диссипативного разогрева (см. разд. 13.1). В этих уравнениях Вг — модифицированное число Бринкмана, которое является мерой интенсивности диссипативного разогрева; М — величина, пропорциональная отношению тепловой энергии, необходимой для плавления полимера, к тепловой энергии, необходимой для нагрева расплава до температуры Т0. Если последняя величина мала, то М будет велико и конвективными членами в урав- Теоретический анализ такого способа плавления затруднен, потому что необходимо рассматривать не только вопросы теплопроводности, но и распределение напряжений в сжатой пробке, состоящей из отдельных частиц полимера при неодинаковой температуре и сложной внешней нагрузке. Как указывалось в разд. 8.9, анализ даже сравнительно простой схемы нагружения изотермической пробки представляет значительные трудности. Тем не менее, поскольку преимущества диссипативного разогрева и плавления при смешении, характеризующегося высокими скоростями и низкой температурой расплава, очевидны, необходимо в ближайшем будущем разработать методы для его теоретического анализа. Расплав отводят из зоны плавления, чтобы избежать термической деструкции, уменьшая время пребывания расплава в области с высокой температурой, предотвратить дальнейшее выделение тепла во всем объеме расплава за счет диссипативного разогрева поспособствовать ламинарному смешению и термической гомогенности расплава. Конечной целью является получение высокой производительности и высокого давления, которое необходимо на стадии формования (течения в головке). Анализируя уравнение (10.3-2), можно оценить возможности и ограничения, присущие каждой из входящих в него переменных, для достижения этой цели. Скорость V0 пропорциональна частоте вращения. Увеличение N приведет к увеличению как Q, так и Р2- Однако имеется практическое ограничение роста N, связанное с природой расплава полимера. Высокая частота вращения означает большие скорости сдвига, что может привести к механической деструкции материала из-за высоких напряжений сдвига, перегреву и подгоранию вследствие диссипативного разогрева или даже скольжению по твердой границе. Поэтому обычно конструкторы ограничены в использовании этого рабочего параметра как средства увеличения производительности. Обратимся теперь к конструктивным параметрам. Отсюда следует, что изменение температуры элемента движущейся жидкой среды определяется суммой подведенного к элементу или отведенного от него тепла и интенсивности диссипативного разогрева внутри элемента. Из практических соображений в смесительных устройствах обычно поддерживают относительно невысокую температуру, чтобы избежать перегрева полимерного материала. С другой стороны, как показано в разд. 1 1 .6, для диспергирования в определенных зонах внутри смесителя необходимо поддерживать высокие напряжения сдвига. Из уравнения (11.3-18) видно, что для выполнения этого требования надо обеспечить интенсивный отвод тепла при смешении. Для полимерных систем, характеризующихся низкой теплопроводностью, это не простая задача. Конструкция смесителя должна обеспечивать не только тщательный контроль температуры поверхности, но также и максимально возможное отношение площади поверхности смесителя к его объему. и определяет интенсивность диссипативного разогрева. При линейном профиле скоростей скорость сдвига равна V ,76 (где б — локальная толщина пленки расплава). Расплав из пленки удаляется преиму- екая модель обеспечивает приемлемую точность расчета, хотя при этом интенсивность плавления оказывается несколько завышенной (ср. с Задачей 9.5). Отметим, что расчетная кривая приближается скорее к темным точкам (которые соответствуют измеренной ширине пробки у пленки расплава), а не к светлым, соответствующим ширине пробки у сердечника червяка. Как показали эксперименты, ширина пробки у сердечника червяка снижается в результате наличия циркуляционного течения в слое собравшегося перед стенкой расплава. В описанной модели процесса плавления обоснованное беспокойство вызывает предположение о постоянстве вязкости, тогда как на самом деле следует ожидать значительного ее изменения вследствие существенного изменения температуры. Зависимость интенсивности плавления от диссипативного разогрева в случае степенной жидкости описывается уравнением (9.8-53). Соответствующее выражение для Ф, учитывающее теплопроводность, имеет вид Задача диссипативного разогрева ньютоновской жидкости, свойства которой зависят от температуры, была решена Турайэном и Бердом [12]; первое числовое решение получено Геррардом, Стейдле-ром и Эпплдорном [13]. Турайэн методом возмущений решил для степенной жидкости (вязкость и теплопроводность которой зависят от температуры) задачи о течении Куэтта, течении в коническом зазоре и течении между параллельными пластинами [14]. Моретт и Гогос [15] численными методами решили задачу о течении в капилляре расплава ПВХ с уменьшающейся вследствие термодеструкции вязкостью. Для этой системы уравнения энергии и движения имеют вид: также о моделировании диссипативного разогрева в капилляре, плоской щели и кольцевой головке. Их метод напоминает метод Геррарда, Стейдлера и Эпплдорна [13]. При этом в качестве граничных условий на стенке головки были выбраны условия, промежуточные между изотермическими и адиабатическими: —k (дТ/дг) = = h (Т — Т0), где Т0 — температура корпуса, которая отнюдь не является температурой поверхности раздела стенка—расплав, а также не является температурой расплава на входе. Некоторые из этих результатов для расплава АБС-пластика (Cycolac Т) представлены на рис. 13.9—13.11. Отсюда можно сделать следующие выводы. 1. При средних и высоких скоростях сдвига течение расплава в капилляре действительно сопровождается значительным увеличением температуры, обусловленным диссипативным разогревом. Это обстоятельство следует учитывать при экструзии термочувствительных полимеров, подверженных термодеструкции, и особенно в тех Наконец, модель Гаскелла носит изотермический характер, хотя при каландровании наблюдаются значительные температурные перепады, являющиеся следствием диссипативного разогрева и теплопередачи от обогреваемых валков. Торнер [18] приводит экспериментальные данные, полученные Петрушанским [19] при каландровании бутадиенстирольного каучука на лабораторном каландре с валками размером 12 X 32 см. Схематическое изображение экспериментально полученных профилей температур приведено на рис. 16.4. Характерной особенностью полученных температурных профилей является наличие двух максимумов недалеко от поверхностей валков, возникающих вследствие взаимного наложения процессов теплопередачи к поверхности валков и тепловыделений вследствие вязкого трения, максимальная интенсивность которых  Добавляют следующую Добавления нерастворителя Добавления растворителя Добавлением каталитических Добавление хлористого Добавлении каталитических Добавлении основания Доказательства конфигурации Доказательства существования |
- |
Навигация