Управление внутренней структурой пенопластов на основе механизма гетерогенного зародышеобразования в одночервячном экструдере

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Управление внутренней структурой пенопластов на основе механизма гетерогенного зародышеобразования в одночервячном экструдере (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВСПЕНИВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
- 1. 1. Основные понятия о пенообразовании
- 1. 2. Экструзионный метод вспенивания полимеров
  - 1. 2. 1. Технологические методы получения пенопластов
  - 1. 2. 2. Физико-механические свойства пенопластов
  - 1. 2. 3. Физические основы получения пенопластов
    - 1. 2. 3. 1. Стадии формирования пены
    - 1. 2. 3. 2. Нуклеация газовых пузырей
- 1. 3. Производство пенополистирольных плит на основе вспенивания газонасыщеных гранул
  - 1. 3. 1. Основные технологические стадии
  - 1. 3. 2. Приемы получения однородных гранул
  - 1. 3. 3. Влияние формы лопастей мешалки на размер капель при перемешивании взаимно нерастворимых жидкостей
- 1. 4. Задачи исследования
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
- 2. 1. Численная плотность сверхкритических зародышей
  - 2. 1. 1. Основные положения модели
  - 2. 1. 2. Оценка численной плотности пузырей в полимерной пене без учета поглощения газа сверхкритическими пузырями в период нуклеации
  - 2. 1. 3. Оценка численной плотности пузырей в полимерной пене с учетом поглощения газа сверхкритическими пузырями в период нуклеации
  - 2. 1. 4. Условие применимости модели
  - 2. 1. 5. Технологические рекомендации

Круг использования вспененных полимерных материалов в настоящее время очень широк. Пенопласты применяются в авиации, ракетостроении, медицине, химических технологиях и коммунальных хозяйствах. Свойства пенопластов, связанные со звукоизоляцией, теплоизоляцией, возможностью восстановления их формы после упругого воздействия, обуславливают эффективность применения этих материалов.

В качестве примера получения вспененной массы является пенополиуретан, вспенивание которого производится путем введения фреонов в один из его компонентов, в этом случае структура пористых ячеек неконтролируемая и кроме того добавление фреонов ухудшает пластические свойства материала. Предлагаемая в настоящее время способы вспенивания полиуретана за счет гомогенной нуклеации растворенных под высоким давлением простых газов (СО2) так же не приводит к желаемой структуре пор. В диссертации разработан метод, основанный на применении углеводородов, в этом случае растворенные углеводороды пластифицируют исходный материал, что улучшает качество пористой структуры, следует также отметить, что примененные в диссертации вспенивающие агенты не подпадают под ограничения международной конвенции. В диссертации также предложен способ управления пористой структурой на основе гетерогенного нуклеобразования.

Теплоизоляционные и механические свойства пенопластов определяются их внутренней ячеистой структурой, хотя в настоящее время не существует подходов, однозначно связывающих структуру этих материалов с термоизоляционными и прочностными свойствами, тем не менее, существует явная корреляция между числом ячеек, их структурой (открыто пористой, закрыто пористой) и желаемыми потребительскими или эксплуатационными свойствами.

Постановка задач:

Одним из возможных способов управления внутренней структурой пенопластов является изменение числа зарождающихся микропузырьков и скорости их роста, управление этими параметрами позволяет регулировать такие макрокачества или характеристики пенопластов как звукоизоляция, теплоизоляция, и механические. Основными задачами исследования является разработка технологических методов управления числом и скоростью роста пузырьков газа в аппаратах двух типов, предназначенных для получения пенопластов. В первом случае однородная масса полиэтилена получается в результате образования пузырьков бутана при истечении раствора через формующий элемент заданной геометрии. Во втором случае происходит вспенивание предварительно полученной мелкодисперсной системы полистирола, в котором растворен пентан. Задачей диссертации является так же установление связи между структурой вспененного материала и его упругими механическими свойствами.

Цель работы.

Целями работы является:

• разработка физико-математической модели процесса гетерогенного вспенивания полимера на распределенных в объеме дисперсных включениях.

• экспериментальное изучение характеристик пористой структуры в зависимости от режимов гетерогенного нуклеобразования.

• экспериментально — теоретическое изучение процесса диспергирования полимерных масс в мешалках различных конструкций в зависимости от скорости вращения ротора, температуры процесса и состава поданных реагентов установление связи между упругими свойствами материала и внутренней структурой газовых ячеек в пенопласте.

Научная новизна работы впервые экспериментально установлены закономерности влияния мелкодисперсных включений на число газовых пор в пене и размер газовых пузырьков при различных режимных параметрах проведения процессов впервые предложена теоретическая модель динамики гетерогенного вспенивания полимерного материала на мелкодисперсных твердых включениях. Модель позволяет связать число и размер газовых ячеек в пенопласте с геометрией сопла, температурой проведения процесса и концентрацией дисперсных микрочастиц впервые предложен и реализован метод получения заданного дисперсного состава газонасыщенных гранул полимерного материала с последующим их вспениванием установлена связь между упругими свойствами полученного материала, структурой пенопластов и режимными параметрами их получения.

Практическая значимость предложены методы управления структурой образующихся пен. Они могут быть использованы для получения вспененных материалов широкой гаммы органических веществ, например, пенополиуретана, пенобетона, вспененных металлизированных материалов установлены режимные параметры, геометрия формообразующего устройства, состав концентрации микрочастиц, способ их подачи, позволяющий получить вспененный полистирол и полиэтилен с заданной внутренней структурой.

• на основе обработки экспериментальных данных предложен режим переменной частоты мешалки, обеспечивающий получение более узкого фракционного состава газонасыщенных гранул полистирола по сравнению со стационарным режимом перемешивания.

• установлена связь между упругими свойствами пенопластов, их внутренней структурой и технологией получения пенопластов Результаты работы использованы при разработке линии для производства вспененного полиэтилена в ЗАО «НПП» Пенополимер", Московская область, а также при модернизации технологического процесса производства гранул вспенивающегося полистирола в ОАО «Пластик», г. Узловая.

Практическим результатом данного исследования является создание и ввод в эксплуатацию экструзионной линии для вспенивания полиэтилена с помощью н-бутапа.

Апробация работы.

Основные научные результаты работы были доложены и обсуждены на XII Школе — семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Санкт — Петербург, 2001) — конференции «Теплофизика процессов горения и охраны окружающей среды», (г. Рыбинск, 2001) — Третьей Российской Национальной Конференции по теплообмену (г. Москва, 2002) — VIII Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: Проблемы и Перспективы» (г, Москва, 2004) — V Всероссийской выставке научнотехнического творчества молодежи, на П-й международной научнопрактической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (г. Москва, 2005).

Основные результаты и выводы.

• Экспериментальные исследования зависимости структуры и числа пор от концентрации микрочастиц — источников гетерогенного вспенивания, показали, что не растворившиеся микропузыри способны оказывать существенное влияние на численную плотность пор в пене.

Разработана физико-математическая модель, описывающая динамику роста микропузырьков газа во вспененном материале в рамках гетерогенного нуклеобразования. В модели учитываются как процесс роста пузырей на микрочастицах, так и снижение общей концентрации газа в объеме, а также динамика изменения давления по ходу течения в формообразующем элементе Разработан метод, предсказывающий дисперсный состав полимерных газонасыщенных гранул в мешалках в зависимости от частоты вращения мешалок, температуры и состава смеси. Показано, что переменная частота мешалки способствует сужению дисперсности образующихся гранул.

Предложено и реализованы технологические рекомендации, позволяющие на основе существующих линий получения вспененных полиэтилена и полистирола получать вспененные массы заданной структуры. Использование теоретических результатов диссертации потребовало изменения геометрий шнека и формующего элемента.

Установлена связь между упругими свойствами полученных пенопластов, их ячеистой структурой и режимными параметрами их получения.

Показать весь текст

Список литературы

Klempner D., Sendijarevic V. Polymeric Foams and Foam Technology. Hanser Publishers, Munich, 2 nd edition. 2004.
Baldwin D.F., Park C.B., Suh N.P. A microcellular processing study of poly (ethylene terepthalate) in the amorphous and semicrystalline states. Part 1: microcell nucleation // Polymer Engineering and Science. 1996. V. 36. N 11. P. 1437.
Plastics extrusion technology / ed. by F. Hensen. Munich- Vienna- New York: Hanser. 1997.
Joshi K., Lee J.G., Shafi M.A., Flumerfelt R.W. Prediction of cellular structure in free expansion of viscoelastic media // Journal of Applied Polymer Science. 1998. V.67. P.1353.
Shimoda M., Tsujimura I., Tanigani M., Ohshima M. Polymeric foaming simulation for extrusion processes // Journal of Cellular Plastics. 2001. V.37. P. 517.
Goel S.K., Beckman E.J. Generation of microcellular polymeric foams using supercritical carbon dioxide. 1. Effect of pressure and temperature on nucleation // Polymer Engineering and Science. 1994. V. 34. N 14. P. 1137.
Бледных Е.И., Скрипов В. П. Нуклеация газовых пузырьков в стеклообразных полиметилметакрилате и поликарбонате // Коллоидный журнал. 1996. Т. 58. N 1.С. 19.
Lee S.T., Biesenberger J.A. A Fundamental study of polymer melt devolatilization. 4: Some theories and models for foam-enhanced devolatilization // Polymer Engineering and Science. 1989. V. 29. N 12. P. 782.
Lee S.T. Nucleation in foam extrusion // Journal of Cellular Plastics. 2001. V.37. P.221.
Park C.B., Suh N.P. Rapid polymer gas solution formation for continuous production of microcellular plastics // Transactions of the ASME. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1996. V. 118. N 4. P. 639.
Fox F.E., Herzfeld K.P. Gas bubbles with organic skin as cavitation nuclei // The Journal of the Acoustical Society of America. 1954. V. 26. N6. P. 984.
Arshady R. Suspension, emulsion, and dispersion polymerization: A methodological survey // Colloid and Polymer Science. 1992. V. 270. P. 717.
Yuan H.G., Kalfas G., Rey W.H. Suspension polymerization // JMS -Rev. Macromol. Chem. Phys. 1991. C31. № 2,3. P. 215.
Vivaldo Lima E., Wood P. E., Hamielec A.E., Penlidis A. An updated review on suspension polymerization // Ind. Eng. Chem. Res. 1997. V.36. № 4. P. 939.
Langner F., Moritz N. U., Reichert К.- H. Reactor scale — up for polymerization in suspension // Chem. Engi. Sci. 1980. V. 35 № 1,2. P. 519.
Balakrishnan Т., Ford W.T. Particle size control in suspension copolymerization of styrene, chloromethylstyrene, and divinylbeneze // J. Appl. Polymer Sci. 1982. V. 27. № 1. P. 133.
Winslow F.H., Matreyek W. Particle size in suspension polymerization // Industrial and Engineering Chemistry. 1951. V. 43. № 5. P. 1108.
Konno M., Arai K., Saito S. The effect of stabilizer on coalescence of dispersed drops in suspension polymerization of styrene // Journal of Chemical Engineering of Japan. 1982. V.15. № 2. P. 131.
Kalfas G. Yuan H., Ray W.H. Modeling and experimental studies of aqueous suspension polymerization processes. 2. Experiments in batch reactors // Ind. Eng. Chem. Res. 1993. V. 32. № 9. P. 1831.
Николаев. В.Ф., Казанская В. Ф., Виноградский В.О., Усачева
В.Т. Технологические особенности суспензионной полимеризации стирола // Пластические массы. 1980. № 6. С. 11.
Ni X., Zhang Y., Mustafa I. Correlation of polymer particle size with droplet size in suspension polymerization of methylmethacrylate in a batch oscillatory-baffled reactor // Chemical Engineering Science. 1999. V. 54. № 6. P. 841.
Hatate Y., Ikari A., Kondo K., Nakashio F. Change of size distribution of polymer droplets with time in styrene suspension polymerization under ultrasonic irradiation // Chem. Eng. Commun. 1985. V.34. № 1 6. P. 325.
Hatate Y., Uemura Y., Ijichi K., Kato Y., Hano Т., Baba Y., Kawano Y. Preparation of GPC parked polymer beads by a SPG membrane emulsifier // Journal of Chemical Engineering of Japan. 1995. V. 28. № 6. P. 656.
Matsumoto S., Takeshita K., Koga J., Takashima Y. A production process for uniform size polymer particles // Journal of Chemical Engineering of Japan. 1989. V. 22. № 6. P. 691.
Alvarez J., Alvarez J.J., Hernandez M. A population balance approach for the description of particle size distribution in suspension polymerization reactor// Chemical Engineering Science. 1994. V. 49. № 1. P. 99.
Tanaka M., Hosogal K. Suspension polymerization of styrene with circular loop reactor // Journal of Applied Polymer Science. 1990. V. 39. № 4. P. 955.
Tanaka M., O’shima E. Dispersing behavior of droplets in suspension polymerization of styrene in a loop reactor // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1986. V. 66. February. P. 29.
Брагинский JI.H., Барабаш Б. М., Бегачев В. И. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 343 с.
Колмогоров А.Н. О дроблении капель в турбулентном потоке//Докл. АН СССР. 1949. T.LXXVVI. N 5. С. 825.
Shinnar R., Church J.M. Predicting particle size in agitated dispersions // Ind. Engi. Chemi. 1960. V. 52. N 3. P. 253.
Nishikawa M., Mori F., Fujieda S. Average drop size in a liquid-liquid phase mixing vessel // J. Chem. Engi. Jpn. 1987. V. 20. N 1. P. 82.
Wernersson E.S., Tragardh C. Scale-up of Rustton turbine-agitated tanks // Chemi. Engi. Sci. 1999. V. 54. N 19. P. 4245.
McMannamey W. J. Sauter mean and maximum drop diameters of liquid-liquid dispersions in turbulent agitated vessel at low dispersed phase hold up // Chemi. Engi. Sci. 1979. V. 34. N 3. P. 434.
Alopaens V., Koskinen J., Keskinen K.I. Simulation of the population balances for liquid-liquid systems in nonideal stirred tank. Part 1. Description and qualitative validation of the model // Chemi. Engi. Sci. 1999. V. 54. P. 5887.
Nambiar D.KR., Kumar R., Das T.R., Gandhi K.S. A two-zone model of breakage frequency of drops in stirred dispersions // Chemi. Engi. Sci. 1994. V. 49. N13. P. 2194.
Leng D.E., Quarderer G.J. Drop dispersion in suspension polymerization // Chem. Engi. Communi. 1981. V. 14. N 3−6. P. 177.
Agassant, Avenas, Sergeut, Carreau. Polymer Processing: Principles and Modeling. Munich- Vieuna- New York: Hanser, New York, Oxford Univ. Pr, 1991.
Wernersson E. S., Tragardh C. Scale-up of Rustton turbine-agitated tanks// Chemical Engineering Science. 1999. V. 54. N19. P.4245−4256.)
Park C.P., Garcia G.A. Development of polypropylene plauk foam products // Journal of Cellular Plastics. 2002. V. 38. P. 219 228.
Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Гидродинамика. M.: Наука, 1988.736с.
Брагинский JI.H., Белевицкая М. А. О дроблении капель при механическом перемешивании в отсутствие коалесценции // Теоретические основы химической технологии. 1990. Т. 24. N 4. С. 509.
Tavlarides L.L., Stamatoudis М. The analysis of interphase reactions and mass transfer in liquid-liquid dispersions //Adv. Chemi. Engi. 1981.V. 11. P. 199.
Laso ML, Steiner L., Hartland S. Dynamic simulation of agitated liquid-liquid dispersions-II: Experimental determination of breakage and coalescence rates in a stirred tank // Chemi. Engi. Sci. 1987. V. 42. N 10. P. 2437.
Pasek A. W., Chamsart S., Nienow A. W., Bakker A. The influence of impeller type on mean drop size and drop size distribution in an agitated vessel // Chemi. Engi. Sci. 1999. V. 54. N 19. P. 4211.
Calabrese R.V. Liquid-liquid dispersion in low concentration systems: Current needs and understanding // A.I.Ch.E. 199 annual meeting. 1997. November. Los Angeles. USA. Paper 151a.
Smit L. An alternative scale -up procedure for stirred vessels // Proc. 8th Eur. Mixing Confe. Cambridge. 1994. P. 309.
Beck K.J. Drop break-up using a saw tooth impeller // 16th NAMF Mixing Conference. Williamsburg. 1997.
Arai K., Konno M., Matunaga Y., Saito S. Effect of dispersed-phase viscosity on the maximum stable drop size for breakup in turbulent flow // J. Chemi. Engi. Jpn. 1977. V. 10. N 4. P. 325.
Кичатов Б.В., Коршунов A.M. Нуклеация газовых пузырей при вспенивании полиэтилена высокого давления экструзионным методом // Теоретические основы химической технологии. 2005. Том 39. № 6. с. 682 -692.
Коршунов A.M. Озонобезопасная экструзионная установка по выпуску теплоизоляционных материалов // Сборник материалов.
Всеросийская выставка научно технического творчества молодежи. Москва, ВВЦ. 2005. с. 35.
Xu X., Park С.В., Pop-IIiev R. Effects of die geometry on cell nucleation of PS foams blown with CO2 // Polymer Engineering and Science. 2003. V.43.N. 7. P. 1378.
Lee S.-T., Lee K. Surrounding temperature effects on extruded polyethylene foam structure // Advances in Polymer Technology. 2000. V.19. N2. P.87.
Hylton D.C. Plastics testing. Hanser. Munich. 2004.
Кнчатов Б.В., Коршунов A.M., Ассорова П.В.
Гранулометрический состав продукта суспензионной полимеризации// Теоретические основы химической технологии. 2003. Т. 37, № 3, С. 331.
Hylton D.C. Understanding plastics testing. Carl Hanser Verlag, Munich, 2004.
Han J.H., Han C.D. A study of bubble nucleation in a mixture of molten polymer and volatile liquid in shear flow field // Polymer Engineering and Science. 1988. V. 28. N. 24. P. 1616.
Tatibouet J., Gendron R. A study of srain-induced nucleation in thermoplastic foam extrusion // Journal of Cellular Plastics. 2004. V.40. P.27.
Hatate Y., Hamada H., Ikari A., Nakashio F. Change of size distribution of polymer droplets during the slurry polymerization of styrene within isooctane droplets suspended in water // Journal of Chemical Engineering of Japan. 1987. V. 20. № l.P. 96.
Кичатов Б.В., Коршунов A.M., Бойко И. В., Ассорова П. В. Влияние формы лопастей мешалки на размер капель при перемешивании взаимно нерастворимых жидкостей // Теоретические основы химической технологии. 2002. Т.36. N6. СЛ.
Calabrese R.V., Chang Т.Р.К., Dang Р.Т. Drop breakup in turbulent stirred-tank contactors. Part 1. Effect of dispersed-phase viscosity // AIChE Journal. 1986. V. 32. № 4. P. 657.
Ahmed S.M. Effects of agitation, and the nature of protective colloid on particle size during suspension polymerization // J. Dispersion Science and Technology. 1984. V. 5. № 3,4. P. 42.
Lagisetty J.S., Das P.K., Kumar R. Breakage of viscous and non-newtonian drops in stirred dispersions // Chemical Engineering Science. 1986. V. 41.№ l.P. 65.

Заполнить форму текущей работой