Лабораторная работа
ЧЕРВЯЧНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы:
- ознакомится с конструкцией и принципом действия червячной машины (далее ЧМ);
- получить навыки практических расчетов основных технологических характеристик: производительность, давление в головке и мощность ЧМ.
- визуально ознакомится с процессом профилирования полимерного материала.
Введение.
Червячные машины используются для выдавливания расплавленных или пластифицированных полимерных масс с целью получения полуфабрикатов или готовых изделий. Главные преимущества ЧМ – непрерывность работы, высокая степень автоматизации, безопасность при работе.
Процессы, осуществляемые на ЧМ: формование, фильтрование, пластикация резиновых смесей и термопластичных полимеров, компаундирование, отжатие влаги.
Данная работа производиться на примере формования изделия при выдавливании профиля из головки машины. Машины для переработки полимерных материалов принято разделять на червячные машины(шнековые машины) – применяемые для переработки резиновых смесей иэкструдеры – машины для переработки термопластичных материалов (пластмасс).
Трудно разделить данные машины по актуальности, но необходимо отметить, что в настоящее время разработано большое количество термопластичных материалов, которые частично заменяют резины. Некоторое преимущество термопластов состоит в том, что после экструдирования, калибрования и охлаждения расплава сразу получается готовый продукт. В то время, как резиновые смеси должны подвергаться вулканизации, т.е. химической обработке с присутствием температуры и давления. Это часто требует дополнительных энергоемких устройств.
Принципиальное отличие ЧМ и экструдеров основано на различной вязкости материалов. Например, при экструдировании полипропилена его вязкость может составлять порядка Па∙с, при шприцевании бутилкаучукаПа∙с, а резиновой смеси на его основеПа∙с.
Основываясь на законе Ньютона для вязких жидкостей нетрудно заметить, что при движении материала он будет вызывать тем большие напряжения, чем большей вязкостью обладает материал. Машины для переработки резиновых смесей и термопластичных материалов различаются мощностью, массивностью элементов конструкции (червяк, цилиндр, головка, приводные шестерни и т.д.), геометрией деталей и узлов.
1. Принцип работы.
Не зависимо от перерабатываемого материала принцип действия машин остается общим: перерабатываемый материал в виде гранул, порошка или ленты поступает через загрузочную воронку и по мере движения в винтовой канавке червяка он уплотняется и под действием температур и сдвиговых деформаций в винтовом канале переходит в вязкотекучее состояние, после чего выдавливается через формующую головку.
В соответствии с физическими состояниями материала различают четыре зоны по длине цилиндра: зону загрузки (где материал находится в нетекучем состоянии), зону плавления, зону дозирования (сжатия), головка установленная на выходе из цилиндра образует зону формования.
ВНИМАНИЕ. Машины классифицируются по большому числу признаков, узнать о которых возможно из прилагаемых лекционных материалов.
2. Реологическое уравнение
Для того, что бы связать нагрузки (напряжения) в материале и на стенках рабочих органов машин с деформацией и скоростью движения (скоростью сдвига) данного материала необходимо ввести функцию, которая называется – реологическое уравнение состояния (РУС).
РУС для ньютоновских жидкостей принято записывать в виде:
. (2.1)
Где ньтоновская вязкость, которая не зависит от напряжения и скорость сдвига,.
напряжение сдвига, Па.
– градиент скорости, данную величину называют скоростью сдвига, 1/с.
Величина вязкости для ньютоновских жидкостей при постоянных давлении и температуре .
Неньютоновские жидкости – жидкости не подчиняющиеся закону ньютона. В большинстве случаев каучуки, резиновые смеси и термопластичные полимеры не являются ньютоновскими. Для описания их поведения получено множество РУС. Широкое распространение, из-за относительной простоты и удовлетворительной точности в диапазоне скоростей сдвига 1/с, получило уравнение степенной жидкости (или уравнение Оствальда и Де Вила, предложенное в 1923-1925 годах). Его принято записывать в виде
; (2.2)
Здесь называют индексом консистенции, а– показатель степени, для полимеров он часто имеет значения в диапазоне 0,1…0,6.
По сути, данное выражение является эмпирическим, и в общем виде его следовало бы записывать, как
. (2.3)
Такая запись сообщала бы о том, что вязкость материала является функцией скорости сдвига и зависит от скорости его течения.
По аналогии с (3), пользуясь математическим представлением выражение (2) записывают в виде
, (2.4)
где
. (2.5)
называют эффективной вязкостью. Зависимость данной величины отражает влияние скорости течения материала на его вязкость.
В таблице 2.1. приведены опытные значения реологических характеристик термопластичных полимеров. Значение начальной вязкости полимеров определяет ее величину при условии стремления скорости сдвига к нулю, т.е. в начальный момент деформирования.
Табл.2.1. Реологические характеристики полимеров
Тип полимера |
Температура, К | |||
Полиэтилен высокой плотности |
453 473 493 |
0,619 0,468 0,373 |
0,56 0,59 0,61 |
2,1 1,52 1,17 |
Полиэтилен низкой плотности |
433 453 473 |
0,936 0,521 0,431 |
0,47 0,63 0,66 |
1,7 1,6 1,3 |
Полипропилен |
483 513 |
3,21 2,24 |
0,25 0,28 |
35 19,8 |
Поливинилхлорид (пластифицированный) |
413 433 |
8,5 5,7 |
0,2 0,24 |
- - |