Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)

X.2. Некоторые аспекты гидродинамической теории каландрования в изо­

ВВЕДЕНИЕ

Переработка полимерных материалов —это совокупность техноло­ гических приемов, методов и процессов, посредством которых ис­ ходный полимер превращают в различные изделия с заданными эксплуатационными характеристиками.

Полимеры начали перерабатывать в конце XIX в., а к сере­ дине XX в. переработка полимеров выделилась в самостоятельную область техники, в которой используется специализированное вы­ сокопроизводительное оборудование, необходимое для реализации в промышленных масштабах специфических для полимеров техно­ логических процессов.

В области переработки полимеров можно выделить четыре основных направления.

1. Приготовление композиций, обладающих свойствами, отлич­ ными от свойств основного полимера. Введение в полимер ингре­ диентов, улучшающих его эксплуатационные (или технологиче­ ские) свойства, практиковалось на самых первых стадиях промыш­ ленного использования полимеров. В настоящее время создание композиций — это целая отрасль промышленности переработки по­ лимеров. Введение стабилизаторов, пластификаторов, антистарите­ лей, наполнителей, красителей и др. стало неотъемлемой частью процесса производства полимерных материалов.

2.Изготовление изделий из термопластичных материалов. При этом протекают следующие основные процессы: а) плавление ма­ териала; б) пластическая деформация материала, в результате которой вязкой массе придается конфигурация будущего изделия; в) охлаждение материала до температуры теплостойкости, при которой может сохраняться приданная ему форма. В ряде случаев процессу формования сопутствуют процессы механической ориен­ тации, обеспечивающей улучшение прочностных характеристик материала.

3.Изготовление изделий из термореактивных материалов (тер­ мореактивные пластмассы, резиновые смеси). Окончательное фор­ мирование химической структуры этих материалов происходит на

последней стадии процесса переработки, состоящего из следующих этапов: а) нагрев материала до перехода в вязкопластическое состояние; б) пластическая деформация материала, в процессе ко­ торой в него вводятся необходимые дополнительные ингредиенты (в ряде случаев нагрев до нужной температуры осуществляется за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения); получен­ ную в процессе смешения композицию вновь подвергают пластиче­

канизации), при которой в материале протекают химические ре­ акции, обеспечивающие образование непрерывной пространствен­ ной структуры.

4. Изготовление изделий непосредственно из мономеров. При переработке этим методом реакция полимеризации протекает не­ посредственно в форме, и процесс образования полимера оказы­ вается совмещенным с процессом формирования готового из­ делия.

В настоящее время в промышленности переработки полимеров более широко представлены первые три направления. Вследствие этого наиболее глубоко разработаны соответствующие технологи­ ческие процессы и методы их теоретического описания.

‘*Легко понять все возрастающий интерес к научно обоснован­ ным методам расчета технологических режимов и конструирова­ нию нового перерабатывающего оборудования при самом общем знакомстве с возникающими при этом проблемами. Так, полное и всестороннее изучение процесса экструзии требует установления связи между 12 независимыми и 15 зависимыми параметрами. Совершенно очевидно, что задача экспериментального установле­ ния оптимума по любому выбранному комплексу параметров по­ требует длительных экспериментов.

Вследствие большой производительности современного перера­ батывающего оборудования и высокой стоимости технологических линий проведение экспериментальных исследований реального про­ цесса переработки полимеров, даже осуществленных с примене­ нием современных методов экстремального планирования, пре­ вращается в дорогостоящую и продолжительную работу. Поэтому целесообразно изучать особенность каждого конкретного процесса, рассматривая вначале его теоретическое описание, т. е. его мате­ матическую модель^

При таком подходе в каждом конкретном случае этапу физи­ ческого эксперимента (будь то создание несложной установки, конструирование технологической линии или опробование нового технологического режима) всегда предшествует этап теоретиче­ ского эксперимента. На этом этапе нет необходимости прибегать к реальным экспериментам, вместо этого исследуются количествен­ ные характеристики процесса, полученные расчетным методом.

Такой подход позволяет существенно снизить объем физиче­ ского эксперимента, поскольку прибегать к нему приходится на

самой последней стадии — не в процессе поиска основных законо­ мерностей, а для проверки и уточнения выданных рекомендаций. Разумеется, для того чтобы исследуемые теоретические модели процессов описывали эти процессы с достаточно хорошим прибли­ жением, они непременно должны учитывать основные особенно­ сти моделируемых явлений.

Уникальные деформационные свойства полимеров, обусловли­ вающие возможность их широкого применения, определяются дли­ ной и подвижностью макромолекул. Поэтому в гл. I кратко рас­ смотрены основные закономерности, связывающие молекулярную и надмолекулярную структуры полимера с его деформационными характеристиками. Приведен всесторонний анализ физической сущности релаксационных явлений и методам их количественного описания. Подробно рассмотрена природа высокоэластических де­ формаций. Особое внимание уделено введению основных понятий (таких, как упругая, высокоэластическая и пластическая дефор­ мация, скорость сдвига, релаксационный и динамический модули, обобщенный релаксационный спектр и т. п.).

Работами школы академика В. А. Каргина показано, что меха­ нические свойства полимерных материалов в значительной мере зависят от характера надмолекулярных структур, формирующихся в процессе переработки. Поэтому здесь приведены основные сведе­ ния о надмолекулярных структурах, встречающихся в наиболее распространенных кристаллических полимерах.

По мере развития теории процессов переработки полимеров было установлено, что для правильного определения основных па­ раметров технологического процесса большое значение имеют све­ дения о деформационных характеристиках расплава полимера, полученные в широком интервале температур и скоростей дефор­ мации. Зависимости такого рода получают экспериментально при реологических исследованиях полимеров.

Реология полимеров, сравнительно молодая область физики полимеров, возникшая в 20-х годах текущего столетия, в настоя­ щее время превратилась в самостоятельную науку. В СССР фун­ даментальные исследования в области реологии полимеров были выполнены Г. В. Виноградовым с сотр., а в области реологии эла­ стомеров (каучуки и резиновые смеси) — Г М . Бартеневым с сотр. Изучению реологических свойств расплавов посвящены работы Муни, Филиппова, Трелора, Клегга, Бегли, Торделлы, Метцнера

идругих зарубежных исследователей.

Врезультате многочисленных исследований установлено, что основная особенность расплавов полимеров и эластомеров заклю­ чается в существовании аномалии вязкости (псевдопластичность),

связанной со специфическими особенностями течения расплавов, Состоящих из длинных полимерных молекул.

В отличие от обычных вязких жидкостей, деформационные свой­ ства которых можно охарактеризовать одной физической констан­ той— ньютоновской вязкостью, для характеристики вязкостных

свойств расплавов полимеров приходится прибегать к многопара­ метрическим зависимостям. Это обстоятельство не только ослож­ няет технику экспериментального определения вязкостных свойств расплавов, но и существенно усложняет математический аппарат, используемый в теории переработки.

Реология полимеров описана в гл. II монографии с позиции ре­ лаксационной теории аномалии вязкости полимеров. Там же по­ дробно рассмотрена природа высокоэластических деформаций, всегда сопутствующих течению расплавов полимеров.

Анализ физической сущности большинства процессов перера­ ботки термопластичных и термореактивных материалов показы­

ственного описания механики процессов переработки, с помощью которых учитываются главные особенности полимерного ма­ териала.

При строгом подходе к построению математических моделей все многообразие известных процессов переработки можно было

В принципе каждая из таких задач должна содержать уравнения движения сплошной среды, записанные в той или иной форме, уравнение материального баланса, уравнение энергетического ба­ ланса и реологическое уравнение состояния, характеризующее сопротивляемость среды приложенным к ней внешним воздей­ ствиям.

К сожалению, такая строгая постановка задачи часто оказы­ вается практически невозможной, и при математическом описании реальных производственных процессов приходится прибегать к существенным упрощениям. При этом значительную помощь в создании математических моделей оказывает анализ простых слу­ чаев движения аномально-вязких жидкостей. Прием такого рода вполне допустим. Он позволяет независимо устанавливать основ­ ные закономерности наиболее простых случаев одномерного изо­ термического течения псевдопластичных жидкостей, выбранных в качестве математического аналога полимерных расплавов. Этим вопросам посвящена гл. III. В этой же главе показано, как, ис­ пользуя представления о релаксационной природе аномалии вяз­ кости, можно рассчитать ориентацию, реализуемую в потоке рас­ плава, и определить возникающие при этом нормальные напря­ жения.

Термодинамические соотношения, описывающие разогрев и плавление полимеров, являются фундаментом, на базе которого строятся неизотермические модели реальных процессов перера­ ботки. Основные вопросы термодинамики и теплопередачи в поли­ мерах рассмотрены в гл, IV,

ю