Лукашова Вікторія Володимирівна. Моделювання процесу екструзії полімерних композицій зі спінюючими наповнювачами : Дис... канд. наук: 05.17.08 - 2008.
Анотація до роботи:
Лукашова В.В. Моделювання процесу екструзії полімерних композицій зі спінюючими наповнювачами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – Процеси та обладнання хімічної технології. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.
У роботі на основі фізичних моделей процесів, що відбуваються у функціональних зонах одночерв’ячного екструдера при виготовленні спінених полімерів, розроблені їх математичні моделі. Створено загальну математичну модель процесу екструзії спінених полімерів як послідовність моделей подачі, плавлення та гомогенізації в зонах до і після введення спінюючого агента, об’єднаних відповідно сформульованими умовами стикування. Процес екструзії розглянуто в циліндричній системі координат Лагранжа з нерухомим циліндром і черв’яком, що обертається. При цьому виділений кільцевий об’єм, що дорівнює кроку нарізки, рухається вздовж осі черв’яка, проходячи послідовно зони подачі, плавлення і гомогенізації. Створено методику розрахунку і відповідне програмне забезпечення для визначення параметрів конструкції робочих органів екструдерів для виготовлення спінених полімерів, що забезпечують задану продуктивність. Адекватність створених моделей підтверджено результатами проведених експериментальних досліджень.
Експериментально встановлено реологічні залежності для розплаву ненаповненого полімеру та композиції полімеру зі спінюючим наповнювачем.
У роботі наведені нові рішення проблеми проектування одночерв’ячних екструдерів для виготовлення виробів із спінених полімерів шляхом розробки математичних моделей окремих функціональних зон процесу екструзії і поєднання їх у єдину послідовність з метою створення алгоритму розрахунку процесу одночерв’ячної екструзії спінених полімерів. Для розв’язання цієї проблеми розроблена фізична модель процесу екструзії і на її основі сформульовано математичні моделі та алгоритми розрахунку процесів, що відбуваються в екструдері. Проведено експериментальні дослідження процесу виготовлення спінених полімерів одночерв’ячною екструзією, на основі яких визначена лімітуюча стадія процесу і встановлені фактори, які мають найбільший вплив на процес і якість виробу. Розроблено алгоритм і програму розрахунку екструдера, виконано числове моделювання процесу. Проведено дослідження реологічних властивостей спінених полімерів, які необхідні для реалізації математичних моделей. Результати числового моделювання показали задовільну збіжність з експериментальними даними. За результатами досліджень розроблено робочі органи екструдера для виробництва спінених полімерів, які впроваджені у промисловість.
За результатами дисертаційної роботи можна сформулювати такі висновки:
Аналіз літературних джерел і попередні експериментальні дослідження показали суттєву відмінність процесів виготовлення виробів зі спінених полімерів методом одночерв’ячної екструзії порівняно зі звичайними полімерами. Так, наприклад, питома продуктивність (G/n) при виробництві спінених полімерів, за якої забезпечується необхідна якість, в 3,5 - 4 рази менша. В результаті аналізу розроблено фізичну модель процесу екструзії, відмінністю якої є необхідність запобігання пароутворенню спінюючого агента охолодженням другої зони гомогенізації і підтримки необхідного рівня тиску в цій зоні, що досягається вибором відповідної геометрії черв’яка, частоти його обертання і температурного режиму переробки.
Обґрунтовано необхідність побудови моделі процесу екструзії як послідовності моделей зон подачі, плавлення і гомогенізації, що дозволяє врахувати їх взаємний вплив. На основі виконаних розрахунків встановлено, що існуючі моделі, які розроблені для оберненої плоскопаралельної моделі черв’яка з обертовим циліндром і нерухомим черв’яком, не можуть бути використані для розрахунку екструзії спінених полімерів, оскільки вони не дозволяють описати умови теплообміну зі стінкою циліндра з достатньою точністю. Це пояснюється тим, що в плоскопаралельній моделі процеси, які відбуваються біля поверхні черв’яка, умовно переносяться до стінки циліндра.
Запропоновано нову математичну модель процесу екструзії спінених полімерів з нерухомим циліндром і обертовим черв’яком, побудовану в циліндричній системі координат Лагранжа, в якій процес теплообміну розглядається у виділеному кільцевому об’ємі, рівному кроку нарізки, що рухається вздовж осі черв’яка, проходячи послідовно зони подачі, плавлення і гомогенізації. На її основі розроблені математичні моделі зон подачі, плавлення і гомогенізації із врахуванням умов теплообміну з поверхнею циліндра і черв’яка і можливості врахування пароутворення спінюючого агента в зоні гомогенізації.
Розроблено алгоритми і програми розрахунку зон подачі, плавлення і гомогенізації. Математично описані умови переходу однієї зони до іншої, із їх врахуванням створена програма розрахунку екструдера в цілому.
Створено пристрій для експериментального дослідження реологічних властивостей спінених полімерів на базі черв’ячного екструдера, що дозволило провести дослідження за умов, максимально наближених до реальних.
Проведено експериментальні дослідження з визначення реологічних залежностей для поліетилену марки 10802-020 та композиції поліетилену зі спінюючим агентом (хладон R22). Одержано криві течії вказаних матеріалів у діапазоні температур переробки (90140 С), які апроксимовані залежностями від швидкості зсуву і температури розплаву. Встановлено, що реологічні залежності, побудовані в логарифмічних координатах, носять практично лінійний характер у діапазоні досліджуваних швидкостей зсуву (5600 с-1) і при збільшені температури та/або зростанні швидкості зсуву в’язкість зменшується. Слід відзначити також, що в’язкість композиції полімеру зі спінюючим агентом більш чутлива до зміни температурного режиму, ніж в’язкість звичайного полімеру.
Встановлено існування граничного значення концентрації спіненого агенту, що подається в екструдер, з точки зору якості спіненого виробу. Для системи поліетилен – хладон R22 відносна масова частка спінювача не має перевищувати 0,25 кгх/кгп. Подача більшої кількості спінюючого агенту призводить до руйнування замкнено-коміркового типу структури і пов’язана з ускладненнями технологічного забезпечення.
Виконано перевірку адекватності розробленої моделі процесу екструзії порівнянням геометрії реальних черв’яків з розрахованою, вихідними даними для розрахунку якої були параметри, за яких були проведені експерименти. Порівняння показало задовільну збіжність.
З використанням результатів досліджень і створеної програми розрахунку екструдерів здійснено розрахунки і робочі креслення десяти промислових черв’яків для виготовлення спінених полімерів, які розроблено і впроваджено на п’яти промислових підприємствах.
Публікації автора:
Лукашова В.В., Зубрій О.Г., Радченко Л.Б. Дослідження реології розплаву полімеру з пороутворюючими наповнювачами // Пром. теплотехника. – 2004. – т. 26, № 6, С. 45-49.
Внесок здобувача: розробка пристрою для визначення реологічних властивостей розплаву, проведення і обробка результатів експериментальних досліджень.
Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Моделювання процесу екструзії із врахуванням фазових перетворень в об’ємі маси // Упаковка. – 2005. – №1, С. 22-25.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу одночерв’ячної екструзії, створення програми розрахунку екструдера, проведення числових досліджень.
Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Моделювання процесу плавлення в одночерв’ячному екструдері // Упаковка. – 2005.– №4. – С. 23-27. – №5. – С. 35-37.
Внесок здобувача: аналіз існуючих моделей плавлення полімеру в одночерв’ячному екструдері, створення програми розрахунку, проведення числових досліджень.
Лукашова В.В., Радченко Л.Б., Микулёнок И.О., Целень Б.Я. Математическая модель процесса экструзии // Наукові праці. – Одеса: ОДАХТ, 2006. – Вип.28, т. 2, – С. 69-70.
Внесок здобувача: створення методики розрахунку, співставлення результатів отриманих теоретичним і експериментальним шляхами.
Будзинська О.С., Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Моделювання процесу неізотермічного живлення одночерв’ячного екструдера. // Наукові праці. – Одеса: ОДАХТ, 2006. – Вип.28, т. 2, – С. 53-55.
Внесок здобувача: проведення числових досліджень, відпрацювання програми розрахунку зони подачі.
Лукашова В.В., Мікульонок І.О, Радченко Л.Б. Теоретичне дослідження процесу черв’ячної екструзії // ІІІ Науково–практична конференція «Новітні технології пакування»: Матеріали доповідей. – Додаток до журналу «Упаковка». – 2007. – С. 60-68.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу екструзії спінених полімерів, створення програми розрахунку екструдера, проведено числові дослідження.
Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Черв’ячна екструзія. Узагальнена математична модель // Хімічна промисловість України. – 2007. – № 1. – С. 32-35.
Внесок здобувача: участь у розробці математичної моделі, апробація програми розрахунку на робочих органах промислових екструдерів.
Будзинська О.С., Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Моделювання процесу живлення одночерв’ячного екструдера // Наукові вісті. – 2007.– № 1. – С. 49-57.
Внесок здобувача: розробка методики числового моделювання температурних полів, проведення числових досліджень.
Лукашова В.В., Радченко Л.Б. Розрахунок екструдера для виготовлення спінених полімерів. // Наукові праці. – Одеса: ОДАХТ, 2007. – Вип.30, т.1, – С. 77–83.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу екструзії спінених полімерів, створення програми розрахунку екструдера, проведення числових досліджень.
Внесок здобувача: запропоновано конструктивне виконання філь’єр матриці головки екструдера для виготовлення спінених термопластів.
Патент України №5334, МПК В29С47/00 . Пристрій для формування листових і блочних матеріалів із спінених термопластів / Новицька Т.М., Хцинський Р.Р., Лукашова В.В. – № 2004010385; Заяв. 19.01.04, Опубл. 15.03.2005 Бюл.№3.
Внесок здобувача: проведено патентний пошук, запропоновано спосіб кріплення розсікачів розплаву спіненого термопласту.
Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Розрахунок енергосилових параметрів екструзії для виготовлення спінених полімерів одностадійним методом // III Міжнар. наук.-техн. конф. “Композиційні матеріали” (Київ, 2004): Тези доповідей. – К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”, 2004. – С. 122.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі, створення програми, проведення числових розрахунків визначення температурних полів у каналі екструдера.
Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Моделювання процесу екструзії із врахуванням фазових перетворень // Междун. науч.-практ. семинар «Индустрия тароупаковки» (Київ, 2004): Сб. тезисов. – К.: 2004.– C. 35-38.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі екструзії спінених полімерів, розробка алгоритму розрахунку екструдера.
Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Математичне моделювання процесу екструзії за умов наявності фазових перетворень // VII Міжн. наук.-практ. конф. “Екологія. Людина. Суспільство” (Київ, 2004): Зб. тез доповідей. – К.: НТУУ “КПІ”, 2004.– С. 173.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу екструзії спінених полімерів, розробка алгоритму і програми розрахунку екструдера.
Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Розрахунок одночерв’ячного екструдера для виготовлення піноматеріалів // Материалы 24 ежегодной международной конференции и выставки “Композиционные материалы в промышленности” (Ялта, 2004). – Ялта: 2004. – С. 293-294.
Внесок здобувача: розробка математичної моделі, проведення числових досліджень.
Lukashova V., Zubriy O., Radchenko L. A Foming Process of Production of Polymeric Foam’s by the Method of Physical Foaming // IV-th International Conference Problems of Industrial Heat Engineering (Kyiv, 2005): Abstracts. –K.: 2005. – p. 152-153.
Внесок здобувача: теоретичне дослідження процесу фізичного спінювання.
Зубрій О.Г., Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Математичне моделювання процесу плавлення в екструдері // IХ Міжнар. наук.-техн. конф. “Екологія. Людина. Суспільство (Київ, 2006): Тези доповідей – К.: НТУУ "КПІ", 2006.- С. 99.
Внесок здобувача: участь у розробці математичної моделі процесу плавлення у одночерв’ячному екструдері, розробка програми розрахунку, числові дослідження промислового екструдера.
Лукашова В.В., Радченко Л.Б., Мікульонок І.О., Целень Б.Я. Математична модель процесу одночерв’ячної екструзії // 26 научн.-практ. конф. “Композиционные материалы в промышленности” (Славполиком, 2006): Тезисы докладов.- Ялта: 2006.- С. 129 - 130.
Внесок здобувача: апробація математичної моделі для екструзії пінополімерів, проведення числових досліджень.
Lukashova V., Mikulyonok I., Radchenko L. Research Of The Process Of The Single-Screw Extrusion // V-th International Conference Problems of Industrial Heat Engineering (Kyiv, 2007): Abstracts. –K.: 2007. – p. 91-93.
Внесок здобувача: проведення експериментальних досліджень екструзії спінених полімерів, проектування робочих органів екструдера та впровадження їх у промисловості.
