Теория технологических процессов учебное пособие

УДК 678.023+678.027 Е73

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Г.В. Куценко (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р техн. наук, профессор В.А. Вальцифер (Институт технической химии УрО РАН)

Ермилов, А.С.

Е73 Теория технологических процессов : учеб. пособие / А.С. Ермилов, Э.М. Нуруллаев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 128 с.

ISBN 978-5-398-01374-0

Рассмотрены физико-химические процессы реологии растворов, расплавов и наполненных полимеров. Показано влияние молекулярных характеристик полимера, пластификатора, а также межмолекулярного взаимодействия на границе «наполнитель–полимерное связующее» на закон течения и величину коэффициента динамической вязкости потока. Представлены современные достижения в области реологии полимерных суспензий и оптимизации фракционного состава твердых компонентов. Рассмотрены основные процессы переработки и получения изделий.

Предназначено для студентов очной, очно-заочной (вечерней) форм обучения, а также аспирантов, инженеров и преподавателей, желающих ознакомиться с началами теории технологических процессов на основе теоретической реологии полимеров и композиций на их основе.

УДК 678.023+678.027

2

4

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Теория технологических процессов» является составляющей курса подготовки дипломированного инженера по специализации «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив» направления «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий». Освоение курса предусматривает, что студенты обладают знаниями по фундаментальным и общепрофессиональным дисциплинам: «Математика», «Физика», «Механика», «Процессы и аппараты химической технологии». Кроме того, они должны быть знакомы со специальным курсом «Физика и химия полимеров».

Цель учебного пособия – изложить студентам на физикоматематическом уровне основные закономерности, которые необходимо знать перед тем, как приступать к инженерной практике создания технологии и промышленного производства новых полимерных материалов и изделий на их основе.

XXI век стартовал с ускорением применения полимерных композиций в современных отраслях мировой индустрии – ракетостроении, авиастроении, судостроении, автомобилестроении, строительстве зданий и сооружений.

Получение волокон, литье под давлением, пневмовакуум-фор- мование, нанесение покрытий, переработка методом экструзии – технологические процессы, которые требуют теоретического знания реологических свойств расплавов, растворов и наполненных полимеров, перерабатываемых в вязкотекучем состоянии.

В 1928 году по инициативе профессора Эдварда Бингама

вСША было организовано Американское реологическое общество, а в последующем основаны реологические журналы (J. Reologica Acta; J. Trans. Soc. Reologica).

Сэтого времени реология (ρεo – течь; наука о течении) известна

вмире как область физики, рассматривающая деформацию и течение жидковязких материалов. При этом в случае полимеров молекулы последних остаются в не «сшитом» поперечными химическими связями состоянии.

5

Зависимость касательного напряжения от градиента скорости сдвига потока («кривая течения») и коэффициент динамической вязкости («вязкость») используются как при разработке нового технологического аппарата, так и при создании соответствующего высокопроизводительного процесса получения или переработки перспективного полимерного материала. Это проблема инженерноконструкторской задачи: «Какими реологическими свойствами должен обладать полимерный композит?».

Обычно гораздо труднее ответить на вопрос: «Как обеспечить требуемые технологические характеристики с помощью оптимальной рецептуры полимерного материала?». Это рецептурно-техноло- гическая задача. Поэтому учебное пособие содержит также сведения о взаимосвязи реологических свойств и рецептурно-молекулярных характеристик полимерных материалов, включая наполненные твердыми ингредиентами.

Используя законы сохранения неразрывности потока, количества движения и энергии с учетом теплопередачи в комбинации с реологическим уравнением, описывающим зависимость касательного напряжения от градиента скорости сдвига, можно после решения (интегрирования) дифференциальных уравнений в частных производных осуществлять необходимые инженерные расчеты технологических стадий формования изделий из полимерных материалов, например, методами литья под давлением или экструзии.

Будущему инженеру в области технической химии прежде чем создавать промышленную технологию изготовления новых полимерных материалов и изделий на их основе, следует подумать об окружающей природной среде, в которой мы живем и в которой предстоит жить нашим потомкам. Система массового производства, массового потребления и массовой утилизации отходов требует принципиального изменения.

Смысл слова «переработка» заключается во вторичной переработке полимерных материалов с получением полезных для человека изделий (рис. В.1). Японская фирма Negoro Sangyo Co. разработала технологический процесс изготовления спортивной одежды и офисной

6

мебели из пластмассовых бутылок. Пластмасса – полиэтилентерефталат, известный в виде высокопрочных волокон как «лавсан». К сожалению, в России пока отсутствуют подобные инженерные решения.

Рис. В.1

Для того, чтобы определить «реологическое место» полимерных материалов, следует сравнить их с другими средами.

На рис. В.2, а представлены зависимости касательного напряжения (τ) от градиента скорости сдвига ( γ ), на рис. В.2, б – градиен-

та скорости сдвига ( γ ) от касательного напряжения (τ) для известных типов течения: 1 – ньютоновские жидкости; 2 – бингамовские

7

или пластичные суспензии, пластилины, шламы; 3 – тиксотропные или псевдопластичные пасты, полимеры; 4 – дилатантные или сверханомальные среды; 5 – псевдопластичные или вязкоупругие тела, полимерные материалы.

Рис. В.2

Видно, что течение полимерных материалов как сплошных сред (расплавы, растворы и суспензии на их основе) подчиняется диапазону между типами 3 и 5, описываемому законом Бэлкли–Гершеля– Освальда де Виля.

Совместное решение уравнения, описывающего зависимость τ = f (γ), и дифференциального уравнения движения вязкого потока,

позволяет рассчитать профиль скоростей течения в узле аппарата или технологической оснастке и производительность установки в целом.

В данном учебном пособии показаны особенности влияния дисперсного наполнителя на реологические свойства полимерного материала. В сравнении со свободным полимером или связующим, в случае формования изделий методом намотки усиливающего волокна на технологическую оснастку, переработка наполненного полимера обычно оказывается гораздо сложнее из-за его высоковязкого состояния.

8

Раздел 1

РЕЦЕПТУРЫ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Тема 1. Химия компонентов и их назначение

Рассматриваемые вопросы. Компоненты полимерных материалов: термопласты, термореактопласты, пластификаторы, растворители, дисперсные наполнители, волокнистые наполнители. Статистический критерий качества смешения. Диспергирование и агломерация твердых частиц. Процессы смешения и диспергирования.

Высокомолекулярные соединения как полимерная основа композитных материалов включают в себя два типа полимеров, отличающихся механическим поведением и агрегатным состоянием в зависимости от температуры – важнейшего технологического фактора.

1.1. Термопласты

Термопласты – полимеры цепного или с короткими ответвлениями строения, например, полиэтилен, полистирол, полиизобутилен. Их механические свойства обратимо зависят от температуры. Материалы на их основе можно перерабатывать многократно. Соответствующие температурные переходы в полимере (структурное стеклование, область высокоэластичного состояния, начало плавления и текучести) определяются силами межмолекулярного взаимодействия.

На рис. 1.1 показана соответствую-

щая термомеханическая кривая

9

цепного полимера, где Tg – температура структурного стеклования; Tf – температура начала вязкого течения.

1.2. Термореактопласты

Термореактопласты – полимеры трехмерно сетчатого молекулярного строения. Химические связи между исходными цепями молекул образуются с помощью сшивающих агентов (отвердителей) с функциональными группами, антиподными (способными химически взаимно реагировать) по отношению к функциональным группам полимеров. Функциональные группы, например, –OH, –COOH, –CH(O)CH2, –NH2, –CH=CH–. Сшивающим агентом может являться другой полимер, имеющий антиподные группы с функциональностью не менее трех. Сшивающие агенты вводятся до стадии формования изделия. Повторно переработать их невозможно. До начала термического разложения они не плавятся, сохраняя форму изделия. Эти полимеры не растворяются, но способны набухать в растворителях или пластификаторах.

С ростом концентрации поперечных связей степень набухания уменьшается. Примеры: сшитые феноло-, меламино-формальдегид- ные, эпоксидные смолы; глифталевые (полиэфирные), полиуретановые эластомерные композиции.

Механические свойства этого типа полимерных материалов зависят от степени поперечного сшивания исходных молекул («химические» связи) и межмолекулярного взаимодействия («физические» связи), определяемого степенью полярности структурных фрагментов, входящих в молекулярную цепь (табл. 1.1). Последний фактор, как известно, обратимо связан с температурой.

В табл. 1.2 представлены значения температуры стеклования некоторых полимеров в зависимости от степени полярности цепи, которая определяется полярностью структурного фрагмента, входящего в молекулу, и его молярной концентрацией в полимере.

Соотношение между температурой стеклования и температурой плавления полимеров (Tg/Tm) позволяет оценить температурный диапазон высокоэластичного поведения полимерного материала.

10