Лабораторная работа

ЧЕРВЯЧНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы:

- ознакомится с конструкцией и принципом действия червячной машины (далее ЧМ);

- получить навыки практических расчетов основных технологических характеристик: производительность, давление в головке и мощность ЧМ.

- визуально ознакомится с процессом профилирования полимерного материала.

Введение.

Червячные машины используются для выдавливания расплавленных или пластифицированных полимерных масс с целью получения полуфабрикатов или готовых изделий. Главные преимущества ЧМ – непрерывность работы, высокая степень автоматизации, безопасность при работе.

Процессы, осуществляемые на ЧМ: формование, фильтрование, пластикация резиновых смесей и термопластичных полимеров, компаундирование, отжатие влаги.

Данная работа производиться на примере формования изделия при выдавливании профиля из головки машины. Машины для переработки полимерных материалов принято разделять на червячные машины(шнековые машины) – применяемые для переработки резиновых смесей иэкструдеры – машины для переработки термопластичных материалов (пластмасс).

Трудно разделить данные машины по актуальности, но необходимо отметить, что в настоящее время разработано большое количество термопластичных материалов, которые частично заменяют резины. Некоторое преимущество термопластов состоит в том, что после экструдирования, калибрования и охлаждения расплава сразу получается готовый продукт. В то время, как резиновые смеси должны подвергаться вулканизации, т.е. химической обработке с присутствием температуры и давления. Это часто требует дополнительных энергоемких устройств.

Принципиальное отличие ЧМ и экструдеров основано на различной вязкости материалов. Например, при экструдировании полипропилена его вязкость может составлять порядка Па∙с, при шприцевании бутилкаучукаПа∙с, а резиновой смеси на его основеПа∙с.

Основываясь на законе Ньютона для вязких жидкостей нетрудно заметить, что при движении материала он будет вызывать тем большие напряжения, чем большей вязкостью обладает материал. Машины для переработки резиновых смесей и термопластичных материалов различаются мощностью, массивностью элементов конструкции (червяк, цилиндр, головка, приводные шестерни и т.д.), геометрией деталей и узлов.

1. Принцип работы.

Не зависимо от перерабатываемого материала принцип действия машин остается общим: перерабатываемый материал в виде гранул, порошка или ленты поступает через загрузочную воронку и по мере движения в винтовой канавке червяка он уплотняется и под действием температур и сдвиговых деформаций в винтовом канале переходит в вязкотекучее состояние, после чего выдавливается через формующую головку.

В соответствии с физическими состояниями материала различают четыре зоны по длине цилиндра: зону загрузки (где материал находится в нетекучем состоянии), зону плавления, зону дозирования (сжатия), головка установленная на выходе из цилиндра образует зону формования.

ВНИМАНИЕ. Машины классифицируются по большому числу признаков, узнать о которых возможно из прилагаемых лекционных материалов.

2. Реологическое уравнение

Для того, что бы связать нагрузки (напряжения) в материале и на стенках рабочих органов машин с деформацией и скоростью движения (скоростью сдвига) данного материала необходимо ввести функцию, которая называется – реологическое уравнение состояния (РУС).

РУС для ньютоновских жидкостей принято записывать в виде:

. (2.1)

Где ньтоновская вязкость, которая не зависит от напряжения и скорость сдвига,.

напряжение сдвига, Па.

– градиент скорости, данную величину называют скоростью сдвига, 1/с.

Величина вязкости для ньютоновских жидкостей при постоянных давлении и температуре .

Неньютоновские жидкости – жидкости не подчиняющиеся закону ньютона. В большинстве случаев каучуки, резиновые смеси и термопластичные полимеры не являются ньютоновскими. Для описания их поведения получено множество РУС. Широкое распространение, из-за относительной простоты и удовлетворительной точности в диапазоне скоростей сдвига 1/с, получило уравнение степенной жидкости (или уравнение Оствальда и Де Вила, предложенное в 1923-1925 годах). Его принято записывать в виде

; (2.2)

Здесь называют индексом консистенции, а– показатель степени, для полимеров он часто имеет значения в диапазоне 0,1…0,6.

По сути, данное выражение является эмпирическим, и в общем виде его следовало бы записывать, как

. (2.3)

Такая запись сообщала бы о том, что вязкость материала является функцией скорости сдвига и зависит от скорости его течения.

По аналогии с (3), пользуясь математическим представлением выражение (2) записывают в виде

, (2.4)

где

. (2.5)

называют эффективной вязкостью. Зависимость данной величины отражает влияние скорости течения материала на его вязкость.

В таблице 2.1. приведены опытные значения реологических характеристик термопластичных полимеров. Значение начальной вязкости полимеров определяет ее величину при условии стремления скорости сдвига к нулю, т.е. в начальный момент деформирования.

Табл.2.1. Реологические характеристики полимеров

Тип полимера	Температура, К
Полиэтилен высокой плотности	453 473 493	0,619 0,468 0,373	0,56 0,59 0,61	2,1 1,52 1,17
Полиэтилен низкой плотности	433 453 473	0,936 0,521 0,431	0,47 0,63 0,66	1,7 1,6 1,3
Полипропилен	483 513	3,21 2,24	0,25 0,28	35 19,8
Поливинилхлорид (пластифицированный)	413 433	8,5 5,7	0,2 0,24	- -