Разработка процесса и оборудования для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей под гидростатическим давлением струи термопласта

Технический прогресс в машиностроении определяется качеством машин и агрегатов, реализующих различные технологические процессы. Качество и себестоимость производства изделий машиностроения зависит от материалов, из которых они изготовлены.

В машиностроении используются волокнистые синтетические материалы для теплои звукоизоляции различных машин и агрегатов, например, транспортных средств и летательных аппаратов, в конструкциях фильтров для очистки газов и жидкостей от инородных частиц в металлорежущих станках. Они обладают высокой прочностью, стойкостью к агрессивным воздействиям, хорошим фильтрующим свойством, низким влагопоглощением. Исходным сырьем для их производства являются термопластичные пластмассы, например, полиэтилентерефталат.

Наибольший интерес среди известных технологических процессов получения волокнистых материалов из термопластов представляет процесс, суть которого заключается в раздуве истекающей из плавильного агрегата струи расплавленного термопласта потоком сжатого воздуха. Известен вариант исполнения плавильного агрегата в виде экструдера, недостатком которого являются сложность конструкции и большие металлои энергоемкость. Наиболее простую конструкцию имеют плавильные агрегаты, в которых истечение струи расплавленного материала происходит под действием гидростатического давления. Предварительные исследования процесса получения волокнистых материалов с применением таких плавильных агрегатов подтвердили его положительные качества, в том числе уменьшение материальных и энергетических затрат на производство волокна по сравнению с традиционной технологией. Однако, такой процесс до сих пор не реализован в промышленных условиях.

С этой точки зрения разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых процессов и агрегатов, для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта и. создание в результате этого промышленных агрегатов, позволяющих сократить затраты на производство волокнистых синтетических материалов, обеспечивая при этом получение качественного материала с высокой производительностью, в настоящее время является актуальным.

Цель работы — разработка процесса и> оборудования для производства волокнистых материалов из термопластов за счет практической реализации результатов теоретического и экспериментального исследования физико-механического процесса вертикального раздува истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта потоком сжатого воздуха.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие основные задачи исследований:

1. Разработать метод расчета производительности плавильного агрегата для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

2. Исследовать закономерности процесса изменения температуры струи расплавленного полимера, при истечении ее из выходного отверстия плавильного агрегата определяющие качество получаемого материала.

3. Расчетными и экспериментальными методами определить рациональные параметры и режимы работы дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом для получения волокнистого материала вертикальным раздувом струи-расплавленного термопласта.

4. Разработать опытно-промышленную установку и технические средства для реализации физико-механического процесса получения волокнистых, материалов способом вертикального раздува истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

5. Определить эксплуатационные свойства* волокнистого материала, полученного вертикальным раздувом истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ходе выполнения теоретических и экспериментальных исследований лично автором:

— разработан новый метод расчета производительности плавильного агрегата для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта потоком воздуха с истечением струи из выходного отверстия плавильного агрегата под действием гидростатического давления, подтверждающий возможность использования различных модификаций формулы Пуазейля для определения расхода расплава при истечении его из плавильного агрегата;

— решена задача определения закономерности изменения температуры переменной по сечению струи расплавленного полимера, истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давленияполучены новые расчетные и экспериментальные данные, характеризующие эффективность работы дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом: рациональная величина кольцевого зазора 5=0,5−0,6 мм при среднем диаметре кольцевой щели 10 мм, центральный угол диффузора -12 градусов, а рациональное отношение его длины к диаметру кольцевой щели — 1,8-К2,0, рациональное давление в кольцевой полости от 100 до 150 кПа при котором происходит деформирование струи расплавленного материала на элементарные струйки с последующим образованием штапельных волокон;

— разработан вальцовый агрегат, который защищен патентом РФ, дутьевая головка, оснащенная механизмом качания, пневматическое устройство для измерения среднего диаметра элементарных волокон, обеспечивающее погрешность измерения диаметра волокон в диапазоне от 10 до 100 мкм с погрешностью не более 9%;

— выявлены новые свойства волокнистого материала полученного способом вертикального раздува струи из расплавленного полиэтилентерефталата, которые позволяют расширить его область применения.

Практическая ценность работы. Полученные в ходе выполнения работы рекомендации по расчету и проектированию плавильного агрегата и дутьевой головки, с кольцевым сходящимся соплом для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта использованы при проектировании и изготовлении опытно-промышленной установки, внедренной в производство ООО «Феникс» (г.Воткинск). Конструкция вальцового агрегата для формирования из получаемого на действующей установке волокнистого материала холстов переменной плотности защищена патентом РФ на изобретение. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании аналогичного оборудования для получения волокнистых материалов из других типов сырья, например, стекла.

Основные положения диссертационной работы докладывались:

— на Международной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (г. Казань, май 2010 г.);

— на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, апрель 2010 г.);

— на IX выставке-сессии инновационных проектов (г.Ижевск, май 20Юг);

— на IX Международной специализированной выставке «Комплексная безопасность — 2010». 21 — 24 сентября 201 Ог, г. Ижевск.

— на IX Международной специализированной выставке «Нефть, Газ, Химия -2010». 19−22 октября 2010 г, г. Ижевск.

— на Научно-методических конференциях Боткинского филиала ИжГТУ (г.Воткинск, февраль 2009 и 2010 г. г.);

— на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения и приборостроения» Боткинского филиала ИжГТУ в 2008;2010 гг.

Результаты диссертационной работы отражены в 14 печатных работах, в их числе 8 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК, получен патент РФ.

Диссертационная работа состоит из, четырех глав, в которых представлен анализ состояния вопроса, поставлены цели и задачи исследований, а также основные результаты внедрения. Работа изложена на 145 листах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 22 таблиц и приложения.

В первой главе диссертации приведен анализ известных способов, технологий и оборудования для получения волокнистых материалов на основе термопластичных пластмасс.

Проведенный аналитический обзор позволил установить, что классическая технология получения синтетического волокнистого материала путем плавления термопластов, вытягивания бесконечных волокон толщиной в несколько микрометров через фильеры диаметром менее полумиллиметра с последующим образованием жгутов из таких волокон, их резкой на элементы одинаковой длины, перемешиванием, рассыпкой на транспортер и дальнейшим формированием холстов или нетканого материала сложна для реализации, требует применения дорогостоящего оборудования и малопроизводительна.

Существенно более простой является технология получения' волокнистых материалов способом вертикального раздува струи расплавленного сырья потоком сжатого воздуха, реализованная на практике при получении волокнистых материалов из минеральных расплавов. Известный вклад в разработку и исследование процессов производства волокнистых материалов из минерального и синтетического сырья различными способами, в том числе и способом вертикального раздува воздухом, внесли отечественные и зарубежные ученые: Папков С. П., Груздев В. А., Бакшеев И. П., Тобольский Г. Ф., Пакшвер А. Б., Петухов Б. В., Айзенштейн Э. М., Геллер В. Э., Людвиг X., и др. Первые опыты получения по такой технологии волокнистого материала из расплавленного полиэтилентерефталата, проведенные в Боткинском филиале ИжГТУ, подтвердили целесообразность ее практической реализации.

Во второй главе диссертации приводятся теоретические исследования плавильного агрегата и дутьевой головки для реализации процесса получения волокнистых материалов способом вертикального раздува струи расплавленного термопласта воздухом, позволяющие на стадии проектирования агрегатов для его реализации определить основные геометрические параметры оборудования и выбрать рациональные режимы технологического процесса. Представлен метод расчета производительности плавильного агрегата для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта потоком воздуха с истечением струи из выходного отверстия плавильного агрегата под действием гидростатического давления, основанный на использовании различных модификаций формулы Пуазейля. Предложен метод, который позволит определить рациональное расстояние между плавильным агрегатов и дутьевой головкой для получения штапельного или непрерывного волокна. Представлены расчетные и экспериментальные данные, характеризующие эффективность работы дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта и позволяющие обеспечить получение волокна с наименьшими затратами энергии.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования процесса получения волокнистых материалов вертикальным' раздувом истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта и дутьевой головки для его реализации.

В четвертой главе приведены результаты разработки и испытаний технических средств для реализации процесса получения волокнистых материалов способом вертикального раздува струи расплавленного термопласта, а также приведены исследования физических, теплоизоляционных и сорбирующих свойств волокнистого материала из расплавленного полиэтилентерефталата.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработан метод расчета производительности плавильного агрегата для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта потоком воздуха с истечением струи из выходного отверстия плавильного агрегата под действием гидростатического давления, основанный на использовании различных модификаций формулы Пуазейля для течения вязких жидкостей. Расхождение результатов расчета по этому методу с экспериментальными данными не превышает 8%.

2. Предложен метод определения закономерности изменения температуры струи расплавленного полимера, с переменным сечением истекающий из плавильного агрегата под действием гидростатического давления, по ее длине. Метод позволяет определить рациональное расстояние между плавильным агрегатов и дутьевой головкой для получения штапельного или непрерывного волокна.

3. Получены расчетные и экспериментальные данные, характеризующие эффективность работы дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом: рациональная величина кольцевого зазора ?=0,5−0,6 мм при среднем диаметре кольцевой щели 10 мм, центральный угол диффузора — 12 градусов, а рациональное отношение его длины к диаметру кольцевой щели — 1,8-К2,0, при этом рациональное разрежение в дутьевой головке должно быть в пределах от 10 до 20 кПа. Увеличение разрежения в центральном отверстии дутьевой головки может приводить к прекращению процесса образования волокнистого материала вследствие интенсивного охлаждения струи расплавленного термопласта.

4. Процесс образования волокна при взаимодействии струи расплавленного термопласта с потоком воздуха, истекающего из дутьевой головки обусловлен не только силой поверхностного трения, но и поперечными пульсациями струи в момент образования волокна, что существенно увеличивает силу вытягивания. При получении непрерывного волокна закрутка потока воздуха в дутьевой головке не нужна, а при получении штапельного — закрутка потока усиливает турбулентные пульсации струи и стимулирует процесс расщепления ее на множество штапельных элементарных волокон.

5. Разработана и внедрена в производство опытно-промышленная установка для получения волокнистых материалов способом вертикального раздува истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного полиэтилентерефталата потоком воздуха. Установка оснащена автоматическим дозирующим устройством, средствами автоматического поддержания температуры в. плавильном агрегате и устройством качания дутьевой головки. Разработано и используется в производстве пневматическое устройство для измерения среднего диаметра элементарных волокон, обеспечивающее погрешность измерения диаметра волокон в диапазоне от 10 до 100 мкм с погрешностью не более 9%.

6. Разработан и защищен патентом на изобретение вальцовый агрегат для изготовления из полученного рассматриваемым способом волокна изделий с переменной по толщине плотностью.

7. По сравнению с базальтовым супертонким волокном водопоглощение полученного волокнистого материала способом вертикального раздува струи из расплавленного полиэтилентерефталата в три раза меньше, упругость в два раза больше, прочность на растяжение в пять раз больше, а коэффициенты теплопроводности практически не отличаются.

8. Экспериментально подтверждена возможность получения волокнистых материалов рассматриваемым способом из вторичного полиэтилентерефталата с незначительным снижением качества готового продукта. Доказана-возможность использования такого волокна для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды: один грамм волокна впитывает в среднем 20 граммов нефти.

Опираясь на выше изложенные научно обоснованные технологические разработки, имеющие существенное значение в машиностроении, позволяют использовать полученные в ходе выполнения работы рекомендации по расчету и проектированию плавильного агрегата и дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом необходимые для получения волокнистых материалов внедрить на предприятии ООО «Маркет» (г.Воткинск, Удмуртская Республика), с декабря 2010 года. Ожидаемый экономический эффект внедрения результатов работы составляет около одного миллиона рублей в год с одной установки по производству волокнистых материалов. Результаты работы используются в учебном процессе подготовки специалистов в Боткинском филиале ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».