Технологические добавки в процессах переработки полимерных композиционных материалов. Учебное пособие

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технологические добавки в процессах переработки полимерных композиционных материалов. Учебное пособие.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Рис 4.1. Характеристики шнека экструдера

Определяющей характеристикой шнека является его диаметр D, выбираемый в зависимости от вида и свойств перерабатываемого продукта, типа изделия и с учетом требуемой производительности экструдера. Другой важной характеристикой шнека является отношение его длины L к диаметру D. Для экструдеров, используемых в производстве ДПК, это отношение находится в пределах 6-40, t = (0,7÷1,2)D; диаметр вала шнека d = (0,44÷0,57)D. При этом должно быть выполнено условие



 



где ψ – угол трения продукта по шнеку. Угол наклона винтовой линии φ определяется из соотношения

 =

Значение угла φ зависит от коэффициента трения продукта по шнеку, и рекомендуется принять величину угла 17-22°. Если угол φ выходит за рекомендуемые границы, то требуется коррекция t.

Для перемещения рабочей смеси вдоль цилиндра необходимо, чтобы трение материала по внутренней поверхности цилиндра было больше трения его по шнеку. В противном случае материал будет вращаться вместе со шнеком, не продвигаясь в осевом направлении. Для создания различных коэффициентов трения материала о шнек и о внутреннюю поверхность корпуса применяют разную чистоту обработки поверхности, регулируют температуры корпуса и шнека и подбирают смазки.





В технике экструзии для снижения трения и обеспечения лучшего течения процесса используются специальные вещества, которые называют смазками или лубрикантами (lubrikants) и процессинговыми добавками (processing aids). Смазки особенно необходимы при экструзии древесно-полимерных композитов. Необходимость лучшей смазки объясняется высоким коэффициентом трения древесины, сложной формой древесных частиц, свойствами их поверхностей и более высоким давлением, при котором обычно осуществляется экструзия высоконаполненных композитов. Как правило, количество смазочных веществ при переработке ДПК требуется несколько больше, чем при переработке обычных термопластов.

Различают внешнее трение – трение частиц о поверхности рабочих органов экструдера и фильеры, и внутреннее трение – трение частиц композиции друг об друга. Поэтому можно сказать, что смазки нужны не просто для снижения трения, но и для регулировки (оптимизации) процесса.

При недостатке и переизбытке смазки или при неправильном сочетании внутренней и внешней смазки экструдер работать не будет. Его может «заклинить», или, наоборот, шнек будет вращаться, а выхода продукта в фильеру не будет.

На практике применяются универсальные внешние и внутренние смазки. Внутренние лубриканты (under-lubrication) улучшают те- кучесть рабочей смеси и способствуют повышению производительности экструдера, внешние (over-lubrication) – уменьшают трение смеси о детали экструдера и предохраняют полимер от прилипания к металлическим частям оборудования, уменьшают износ оборудования. В идеале внешние смазки должны быть химически плохо совместимы с полимером, слабо проникать в его структуру и работать только в области внешнего трения. Внутренние смазки, напротив, должны равномерно распределяться внутри рабочей смеси и обеспечивать лучшую пластичность смеси, в частности индекс текучести расплава, давление расплава и другие показатели (рис. 4.2-4.3).

В качестве смазок при экструзии ДПК могут использоваться силиконы, углеводороды, перфторполимеры, воски, мыла, акрилаты, высокомолекулярные жирные кислоты и спирты, амиды жирных кислот, соли жирных кислот, сложные эфиры жирных кислот и другие смазочные материалы. Пока в древесно-полимерных композитах при- меняются в основном стандартные смазки, используемые при переработке полиолефинов и ПВХ, такие как этилен бис-стереамид (ethylene

bis-stearamide – EBS), стеараты цинка и других металлов, парафино-

вые воски и окисленный полиэтиленoвый воск (oxidized PE). Новым направлением является использование некоторых эластомеров.

Рис.4.2. График напряжения расплава

Рис 4.3. График давления расплава

Помимо смазывающего эффекта и улучшения текучести рабочей смеси лубриканты могут оказывать воздействие и на другие свойства и качества композита. Смазки улучшают внешний вид поверхности изделия (рис. 4.4)

Рис 4.4. Внешний вид поверхности до и после применения смазок

К настоящему времени ведущие зарубежные производители лубрикантов уже опробовали свои продукты в производстве ДПК и разрабатывают новые системы, обеспечивающие повышение производительности экструдеров при переработке древесных композитов и с целью обеспечения их лучших прочностных свойств и долговечности. На диаграмме (рис. 4.5) показано увеличение производительности экструдера при использовании нового лубриканта Baerolub W немецкой фирмы Baerlocher GmbH по сравнению со стандартной смазкой на основе стеарата цинка и этиленбисстереамида.

Все смазки благоприятно влияют на водостойкость термопластичных ДПК, но, как правило, несколько уменьшают прочностные показатели. Смазки, содержащие ионы металлов, в частности металлические стеараты, могут блокировать действие скрепляющих агентов, например малеинизированных полиолефинов. С другой стороны, смазки, содержащие поверхностно-активные вещества, напротив, могут рассматриваться как связующие агенты, улучшающие совместимость древесины и полимерной матрицы (например, некоторые продукты фирмы Struсtol).

Рис 4.5. Производительность при различном содержании смазок

Новые марки процессинговых добавок могут существенно улучшать и прочностные свойства древесно-полимерных композитов. Например, Metablen A3000 является и процессинговой добавкой, и отличным модификатором ударной прочности. Ориентировочно для ДПК на основе полиэтилена количество смазок может быть до 4-5 % от веса композита, для композиций на основе полипропилена – 1-2 %. Количество смазки для переработки древесно-полимерных композиций на основе ПВХ составляет от 4 до 10 частей смазки на 100 частей смолы. При подборе количества следует учитывать состав композита, применяемое оборудование и рекомендации конкретного поставщика добавок, так как многие материалы, сходные по составу химпродуктов, могут различаться эффективностью действия и т.д.

4.6. Технологические добавки для эластомерных композиций

Большой интерес к применению разнообразных добавок вызван несколькими обстоятельствами, в-первых, по влиянию на технологические свойства и процессы переработки эластомерных композиций эффективность добавок различного строения, но близких по молекулярной массе и совместимости с каучуком примерно одинакова. Во-вторых, влияние добавок различного строения на свойства резин неодинаково, в связи с чем необходимо выбирать наиболее эффективные добавки с учетом конкретных условий эксплуатации резины.

Многие соединения могут представлять собой добавки полифункционального действия, достоинством которых является их доступность. В связи с этим в настоящее время в резиновых смесях применяются или испытываются самые разнообразные продукты природного и синтетического происхождения. Эффективность использования добавок в каждой конкретной композиции зависит от совокупности химических и коллоидно-химических характеристик композиции и способов ее переработки. Важными являются факторы совместимости каучука и добавок, характер диффузии добавок и степень ассоциации молекул в эластической матрице, вызывающие изменение различных физических свойств композиции, а также степень воздействия на химические реакции в эластомерной композиции при ее вулканизации или в условиях эксплуатации.

Наиболее часто при изготовлении и переработке резиновых смесей в условиях реального производства приходится сталкиваться со следующими технологическими проблемами:

- плохое внедрение, диспергирование и однородность распределе-

ния наполнителей и других ингредиентов в резиновых смесях;

- высокая вязкость и эластичность применяемых каучуков;

- прилипание или излишнее проскальзывание смесей (и некоторых

ингредиентов) к рабочим органам резиносмесителя;

- длительные циклы смешения и высокие энергозатраты;

- залипание или шубление резиновых смесей на валковом оборудо-

вании;

- неровная поверхность каландрованных заготовок;

- неровная поверхность и рваная кромка шприцованных заготовок,

неоднородность габаритов заготовок;

- низкие скорости шприцевания и высокие энергозатраты;

- низкие значения когезионной прочности, конфекционной клей-

кости резиновых смесей и резинокордных заготовок;

- плохая растекаемость смесей при формовании и вулканизации;

- трудности с выемкой вулканизованных изделий из пресс-форм.

Совокупность указанных технологических проблем приводит к снижению производительности оборудования, росту непроизводительных энерго- и трудозатрат, ухудшению экологических условий производства и потребительских свойств изделий, проявляющихся в снижении их физико-механических показателей, показателей однородности, стабильности геометрических размеров и работоспособности изделий и в конечном счете к снижению конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Проблемы смешения и перерабатываемости за длинную историю резиновой промышленности были и остаются предметом постоянных дискуссий. В современной технологии изготовления резины для решения указанных проблем широко используются специальные химикаты – технологически активные добавки или промоторы перерабатываемости. С середины XX века технологически активные добавки выделились в самостоятельную группу ингредиентов резиновых смесей, и им отведено существенное место в рецептуростроении наряду с полимерами, наполнителями, вулканизующей и стабилизирующей группами.

Эффективность влияния тех или иных веществ на перерабатываемость резиновых смесей определяется их способностью в процессах изготовления резиновых смесей концентрироваться и понижать поверхностное натяжение на различных границах раздела фаз, присутствующих в резиновых смесях:

- на границах каучуков с наполнителями;

- на границах каучуков с порошкообразными ингредиентами;

- на границах раздела между несовместимыми каучуками;

- на границах возможных надмолекулярных образований в

каучках;

- на контактных границах резиновых смесей с металлическими

поверхностями перерабатывающего оборудования.

Основываясь на этих положениях, можно сформулировать следующие требования, которым должны удовлетворять вещества, потенциально способные выполнять функцию технологически активных добавок (ТАД):

- должны содержать в своём составе группы с разной полярно-

стью, т.е. относиться к группе дифильных веществ;

- температура плавления их должна быть не выше температур,

реализуемых в процессах изготовления резиновых смесей;

- в отличие от пластификаторов, они должны иметь ограни-

ченную молекулярную растворимость в каучуках;

- должны уже при относительно низких концентрациях (1-4

мас. ч) проявлять склонность к образованию ассоциатов молекул, мицеллярных структур и других надмолекулярных образований, а также проявлять свойства пластичных молекулярных смазок, концентрируясь на межфазных границах;

- должны проявлять склонность к адсорбции на поверхности

Химический

состав

Продукция

«Рейн Хеми»

1 2 3

Лубриканты

Повышают эф-

Мыла металлов,

Aflux 12, 25

Гомогени-

Способствуют

Специальные уг-

Aktiplast T

наполнителей, способствуя их дезагломерации, не ухудшая при этом степень взаимодействия между каучуком и наполнителем;

- не должны оказывать заметного отрицательного влияния на вулканизационные характеристики резиновых смесей и физикомеханические показатели вулканизатов;

- должны иметь доступную сырьевую базу.

Лидерами в разработке и производстве технологически-

активных добавок для резиновой промышленности являются фирмы «Шилл Зейлахер» (Германия), «Структол» (США), «Рейн Химии» (Германия) и «DOG» (Германия)

Специалисты компании «Рейн Химии» предложили следую-

щее определение этой группе ингредиентов резиновых смесей: промоторы перерабатываемости, т. е. специальные добавки, способствующие однородному смешению и последующей переработке резиновых смесей, но не влияющие на вулканизационные свойства резин. В соответствии с этим определением предложена и следующая классификация промоторов перерабатываемости: лубриканты, гомогенизирующие агенты, диспергирующие агенты, повысители клейкости, пептизаторы, усиливающие агенты, промоторы перерабатываемости общего назначения, смазки для выемки изделий из пресс-форм (табл. 4.7).

Таблица 4.7 Классификация промоторов перерабатываемости

Класс Применение

зирующие агенты

фективность экструдеров и машин инжекционного формирования

равномерному распределению химикатов

амидные сложные эфиры, жирные кислоты,

леводные смолы

Aflux 42 Aktiplast GT Aktiplast ST Rhenosin 260…TP 100

Aktiplast PP.. Aflux 16

Окончание табл. 4.7

1 2 3

Дисперги-

рующие

Повышают

Соли металлов

Rhenosin C 80-

Rhenosin C

P 6204, 7433

Повысите-

Повышают ад-

Кумароноиндено-

Aktiplast 8

Кумароноиндено-

дифенил-сульфид

Усилива-

Увеличивают

кость

Фенолоформаль-

Rhenosin

Промото-

ния

Преимущества

Натуральные мас-

Rhenopren

Предотвраща-

ных смесей

Водные растворы

Серия

агенты

степень диспергирования и однородность распределения наполнителей

жирных кислот, стеариновая кислота, кумароноинденовые смолы

C 150 TT 90 – 110

10…C30 TT10,…30

ли клейкости

Пептизаторы

ющие агенты

ры перерабатываемости общего назначе-

гезию композитов

Ускоряют пластикацию НК

взаимодействие с наполнителем и повышают жест-

на всех стадиях переработки резины

вые смолы

вые смолы,

алкилированные

фенольные смолы

SDB - 2,2-

дибензамидо-

дегидные смолы с донором

метлена или без

него

ла с серными мостиками

Aktiplast 20

P 0790K+P0791K

ESP-KE4937

Смазки

ют налипание резины при хранении невулканизован-

без силикона и содержащие силикон

Rhenodin

В наибольшей степени этим требованиям отвечают жирные,

растительные и смоляные кислоты; эфиры и соли жирных, растительных и смоляных кислот и неионогенные поверхностно-активные вещества. Для того чтобы выполнять в резиновых смесях одновременно разнообразные функции (диспергатора, гомогенизатора, лубриканта и др.), промышленные технологически активные добавки должны быть, как правило, смесевыми синергетическими системами, веществами полифункционального действия. Состав, структура и свойства отдельных компонентов таких смесевых синергетических систем определяются конкретными особенностями компонентного состава перерабатываемых резиновых смесей, конструкционными особенностями перерабатывающего оборудования и технологическими параметрами условий переработки.

Специалисты компании «Шилл-Зейлахер» выделяют следующие важнейшие функции технологически активных добавок в технологии производства резиновых смесей:

- улучшать диспергирование порошкообразных компонентов, го-

могенизацию, пластикацию и пластичность резиновых смесей, их конфекционную клейкость;

- улучшать качество поверхности резиновых заготовок и конечных изделий, способствовать облегчению процесса выемки изделий из пресс-форм;

- снижать эффект разбухания экструдата и предотвращать

«шубление», которое проявляется, как правило, в нарушении регулярности течения экструдата, с появлением волнообразных дефектов на поверхности за счет эффекта циклического эффекта прилипанияотрыва материала от поверхности формующего инструмента (данный эффект обычно наступает в случае превышения определенных критических скоростей и напряжений сдвига в процессе экструзии эластомерной композиции).

Классификация технологических добавок по их «химической

природе» позволяет лучше ориентироваться в отношении совместимости технологически активных добавок с полимерами по соответствующим значениям параметров растворимости, что особенно важно при выполнении функции гомогенизатора (или компатибилизатора) в смесях полимеров (табл. 4.8).

Промоторы перерабатываемости выбираются с учётом типа,

состояния оборудования и технологической схемы производства ре-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]