книги из ГПНТБ / Перегудов, В. В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий учебник

ствип с напряженным состоянием, как правило, в полимерных мате­ риалах будет отставать от деформации. Поэтому при нагружении образца деформация его не будет полностью развиваться, следо­ вательно, значения деформации в каждый момент будут меньше равновесных.

Если начать разгружать образец, деформация его (уменьшение линейных размеров) будет идти медленнее, чем-разгружение. Сле­ довательно, деформации в каждый отдельный момент времени при разгрузке будут 'больше, чем равновесные. Отсюда можно утверж­ дать, что при неравновесной деформации кривые зависимости, на­ грузка — удлинение и разгрузка — удлинение (сокращение) не сов­ падут. График, выражающий эту зависимость, имеет вид петли, которую называют петлей гистерезиса.

Такой график, выражающий зависимость, нагрузка—деформа­ ция и разгрузка — деформация, приведен на рис. 10.

Величина площади, образованной петлей гистерезиса, представ­ ляет собой разность удельной работы, затраченной при нагруже-

при разгрузке, отрицательна и, следовательно, не затрачивается, а выделяется в виде тепловой энергии, которая идет на активизацию' внутренних химических процессов.

Площадь петли гистерезиса зависит от скорости приложения деформирующей силы и от температуры, при которой ведется про­ цесс деформации: чем медленнее процесс деформации, тем значе­ ния е ближе к равновесному и тем меньше площадь петли гистере­ зиса. При очень высокой скорости деформации, так как макромо­ лекулы не успевают изменять свои конформации, значения дефор­ мации при нагрузке и разгрузке также близки.

Рассмотрим возникновение неравновесного состояния при на­ гревании термопластичных полимерных материалов. Возьмем поли­ мерный материал и будем его нагревать. Удельный объем материа­ ла 'будет увеличиваться по какой-то кривой аб (рис. 11). При большой скорости нагрева увеличение удельного объема будет отставать от равновесного состояния объем — температура. Умень­ шая скорость нагрева, можно добиться такой скорости внутренней перегруппировки конформации макромолекул, которая будет соот­ ветствовать скорости нагрева, и кривая аб будет характеризовать равновесное состояние объем — температура.

Если после нагрева материал, характеризуемый точкой б, начать охлаждать, то оказывается, что изменение удельного'объе­ ма не успевает за уменьшением температуры и идет по какой-то кривой бв. Если уменьшать скорость охлаждения, то кривая бв, по которой уменьшается удельный объем, будет очень медленно при­ ближаться к кривой аб. Однако для совпадения этих кривых ско­ рость охлаждения должна быть очень мала и исчисляться сутками и больше.

30

тела от температуры идет по линейному закону, то можно написать

одинаково и равно уменьшению размера всей пластины на А1. Общее сокращение пластины должно соответствовать какому-то среднему значению температуры £Ср-

Таким образом, мы получили, что каждая полоска пластины приобрела недопущенную усадку, равную разнице менаду длиной, которую она имела бы при свободном сокращении, и длиной, кото-

31

Эта недопущенная усадка и вызывает нормальные напряжения: для

в нейтральных плоскостях, где усадка соответствует температуре, напряжения будут равны нулю.

Максимальные сжимающие напряжения будут наблюдаться в

создают касательные напряжения, которые, по данным ряда авто­ ров, и являются причиной растрескивания или деформирования ма­ териала в период охлаждения.

При охлаждении реальных изделий также возникает напряжен­ ное состояние, но уже объемное, определяемое трехмерным прост­ ранством.

Из изложенного можно установить, что при переработке полимерных материалов последние после окончания формирования находятся в напряженном состоянии. Напряженное состояние в материалах возникает за счет недопущенной температурной усад­ ки и за счет остаточных неравновесных деформаций при загрузке и разгрузке.

Эти два принципа появления напряженного состояния оказыва­ ют сходное влияние на гистерезис, и в конечном смысле все равно, каким образом достигнута перегруппировка элементов структуры полимера: изменением температуры или изменением скорости при­ ложения внешних сил.

Если рассматривать напряженное состояние с точки зрения структуры материала, то необходимо отметить, что условия, приве­ денные выше как создающие напряженное состояние, иногда влия­ ют «а структуру, создавая ориентацию макромолекул. Само по себе напряженное состояние не представляло бы интереса, если бы в процессе охлаждения и эксплуатации не выявлялись пороки ма­ териала. Ориентация макромолекул (замороженные остаточные напряжения) снижает температуру коробления и прочностные характеристики материала. Например, если бы остаточных напря­ жений в материале не было, то изделие можно было бы нагревать до такой температуры, при которой коробление проходило бы толь­ ко под действием силы тяжести.

Если же* в материале сохранились остаточные напряжения, то коробление начинается при такой температуре, когда становится достаточной скорость восстановления эластических деформаций; Чтобы снять напряженное состояние с материала или изделия, последний необходимо подвергнуть дополнительной обработке. Общей зависимостью присущей релаксационным процессам — процессам восстановления равновесного состояни, является их за­ висимость от температуры. Поэтому для снятия напряженного

32

состояния материал или изделие необходимо подвергать дополни-' тельной тепловой обработке уже после их изготовления.

Для установления температурных режимов тепловой обработки необходимо выяснить теоретические зависимости между напряже­ нием, деформациями, временем и температурой. В этих целях так­ же применяют моделирование, а полученные соотношения на моделях проверяют на реальных материалах.

Рассмотрим основные принципы моделирования релаксацион­ ных процессов. Пусть при отсутствии течения материал подверга­

Уменьшение напряжения в материале происходит тем быстрее, чем выше температура изделия. Под действием теплового движе­ ния в любой жидкости происходит непрерывная перегруппировка молекул. Вероятность этого процесса по закону Больцмана опреде­ ляют следующей формулой:

Под временем релаксации процесса обычно понимают то, кото­ рое необходимо для уменьшения напряжения в материале или и з ­ делии в е раз.

Если считать, что релаксируемый материал ведет себя как про­

где т — время деформации; т р — время релаксации.

В общем случае деформация полимера складывается из упру­ гой бупр, высокоэластической еэ и деформации течения еТ еч (е0 бщ=

=Б у п р + 6 э + Етеч) •

При достаточно низких температурах время релаксации поли­ мерных материалов становится очень большим, и деформацией те­ чения можно пренебречь, тогда общая деформация может быть оп­ ределена

Подставив_в уравнение (1.55) уравнения (1.53) и (1.54), полу­ чают уравнение

рее, с понижением температуры — замедляется. С учетом изложен­ ного' становится ясным назначение дополнительной тепловой обра­ ботки полимерных материалов после их изготовления.

34

Дополнительную тепловую обработку называют отжигом, кото­ рому подвергают сформованные строительные детали и изделия, выполненные на основе полимерных композиций для снятия на­ пряженного состояния перед отправлением на стройки.

Ниже при рассмотрении установок для снятия напряженного состояния с готовых изделий или, как их еще называют, установок для стабилизации размеров изделий, приводится один из вариан­ тов возможного практического расчета температуры и времени релаксации напряженного состояния.

2*

Г л а в а II

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Технология полимерных строительных материалов складывает­ ся из целого ряда переделов. Под технологическим переделом пони­ мают совокупность процессов, проходящих в одном аппарате тех­

в каких-то отдельных тепловых установках. Она встречается прак­ тически во всех технологических переделах, как сопровождающая технологическую обработку материалов и взаимосвязанная с ней. Кроме того, тепловая обработка полимерных строительных мате­ риалов происходит не только за счет подводимой к установке теп­ ловой энергии, но и за счет внутреннего выделения тепла материа­ лом при технологической переработке. Отсюда под термином «тепловая обработка» будем понимать ее основное назначение — перевод полимерных композиций в вязкотекучее состояние для при­ дания формы будущему строительному изделию.

Перевод в вязкотекучее состояние полимерных материалов в различных установках осуществляется различными методами. По­ этому для изучения и рассмотрения принципов расчетов тепловой обработки необходимо классифицировать различные методы обра­ ботки, т. е. разделить на основные группы все существующие уста­ новки, применяемые для перевода полимерных композиций в вяз­ котекучее состояние.

§ 1. Классификация методов тепловой обработки

Основные переделы, встречающиеся в технологии полимерных материалов и изделий, можно разделить на три обособленные группы.

К первой группе относят вальцевание и так называемую «адиа­ батическую экструзию» В обоих этих переделах разогрев материа­ ла до необходимой температуры переработки происходит за счет деформации под воздействием приложенной внешней механической энергии.

Во время транспортировки по аппарату или установке от прило­ женной механической силы материал за счет пластической дефор­ мации переходит в вязкотекучее состояние. Затем материал, пере­

батический экструдер) для придания ему формы. К этим агрега­ там дополнительное тепло не подводится. Наоборот, потери тепла в окружающую среду, а иногда >и частичное принудительное охлаж-

36

дение происходят за счет тепла, выделяемого при пластической деформации.

Рассмотрим.в общем виде технологический передел, относящий­ ся к первой группе.

Пусть на материал (рис. 14), находящийся в ограниченном пространстве, через специальное устройство 2 действует сила F. Сила, воздействующая на материал, вызывает его деформацию, при этом выделяется тепло трения. Ограниченный объем вместе со' специальным устройством будет в этом случае являться аппаратом или установкой.

Аппарат, таким образом, предназначен для переведения мате­ риала в вязкотекучее состояние. Перевод в вязкотекучее состояние неразрывно 'связан с транспортировкой, поэтому материал транс­ портируется аппаратом в направлении, указанном стрелками.

Основным процессом, который осуществляется в аппарате, является процесс вязкого течения, описываемый уравнениями гид­

сматривать: 1) изменение термодинамического состояния материа­ ла; 2) гидродинамику вязкого течения; 3) распространение тепла;

4)реологические особенности процесса.

Впервую группу технологических 'переделов будут входить, та­ ким образом, установки или аппараты, где перевод материала в вязкотекучее состояние для формовки осуществляется за счет тепла пластической деформации Qn, выделяемого при течении от приложенного механического усилия. Температурное поле, наблю­ даемое по поперечному сечению, в таких установках имеет значи­ тельную неравномерность. Кроме того, нарастание температуры по отдельным участкам установки становится нерегулируемым.

Установки первой группы в дальнейшем будем называть уста-

37

шое количество установок; каландры, экструдеры, гидравлические прессы для слоистых пластиков, литьевые машины и др. В этих' ус­ тановках механическая энергия, подводимая к материалам, недо­ статочна для перевода полимерной композиции в вязкотекучее состояние, необходимое для формовки. Поэтому к материалу извне, подводится и значительное количество тепла, которое, кроме ос­ новного назначения — перевода в вязкотекучее состояние материа­ ла, позволяет корректировать температурное поле как по отдель­ ным участкам, так и по поперечному сечению установки. В этом

случае процесс обработки становится управляемым.

Рассмотрим в общем ви­ де технологический передел, отнесенный ко второй груп­ пе, Пусть на материал / (рис. 15), находящийся так­ же в ограниченном про­ странстве, через специаль­ ное устройство 2' действует сила F и транспортирует его по аппарату. Усилие, сооб­ щаемое материалу, недоста­ точно для перевода его в

выделяемого при пластической деформации Qn , от воздействия ме­ ханической силы- F материал переводится в вязкотекучее состояние, в котором и транспортируется по аппарату или деформируется для

К третьей группе технологических переделов можно отнести все остальные, встречающиеся в производстве полимерных строитель­ ных материалов и изделий. Общим для них будет отсутствие тече­ ния материала при переработке, ибо в этих переделах материалы не подвергаются пластической деформации. Отдельными предста­

38

Рассмотрим в общем виде технологический передел, отнесенный л' третьей группе: Пусть выделенный объем / представляет собой аппарат, относящийся к технологическому переделу третьей груп­ пы (рис. 16).

Аппарат загружают материалом 2. Теплоноситель, содержащий количество тепла Q\, поступает в аппарат. Между материалом и теплоносителем происходит сложный процесс тепло- и массообмена, в результате которого материал подвергается сушке, вспучива­ нию и др. или просто нагревается, как это происходит при тепловой обработке для стабилизации размеров изделий. Отработанный теп­ лоноситель, содержащий остаточное количество тепла Q2, удаляет­

9*

Рис. 16. Схема технологического передела третьей группы:

В процессе сушки с полимеризацией или с поликонденсацией сначала за счет внешних источников температура материала под­ нимается до начала инъецирования химических реакций, после чего к внешнему обогреву добавляется тепло химических реакций. Количественно тепло химических реакций невелико, поэтому про­ цесс сушки, осложненный реакциями полимеризации или поликон­ денсации, относится также к третьей группе.

Таким образом, установки третьей группы в дальнейшем бу­ дем называть установками или аппаратами для тепловой обработки за счет внешних источников тепла.

Хотя при ведении процессов третьей группы материал и не под­ вергается течению, однако, работа аппаратов также осложнена гидродинамическими процессами. В этом случае по аппарату дви­ гается теплоноситель, и, следовательно, условия тепло- и массообмена определяются гидродинамикой процесса его движения. Для

39