Лекции ОПП / лек. 6.1-ОПП 1.Е 2012-2013 вступ укр
.docЛекція 6.1-ОПП.Е. Введення до курсу «Обладнання для переробки полімерів у вироби»
Основні питання: Загальні відомості з дисципліни. Гумова галузь, її значення для промисловості. Реологічні властивості каучуків і гумових сумішей при їх переробці.
I. Загальні відомості з дисципліни.
Кредитний модуль “Обладнання для переробки полімерів. 1. Еластомери.” викладається згідно плану підготовки бакалаврів кафедри хімічної технології композиційних матеріалів і дає цільове уявлення та знання про різноманітність обладнання для переробки еластомерів, його конструктивні особливості, основи розрахунку продуктивності, потужності, теплових і міцностних параметрів та характеристик, історії та тенденцій його розвитку.
Для більш успішного засвоєння вказаних знань та можливості їх подальшого ефективного застосування передбачається викладення кредитного модуля та рішення лабораторно-практичних задач з використанням системного підходу до аналізу машинних модулів технологічних агрегатів та ліній, засобів ПЕОМ. Планується ознайомлення студентів з реальними процесами та сучасним обладнанням на підприємствах Києва та області, на заняттях з демонстрацією мультимедійних "відеороликів" у якості додаткового дидактичного матеріалу.
Модульний кредит вивчається протягом 6 семестру. Вивчання здійснюється як освоєнням лекційного курсу, виконанням практичних занять і лабораторних робіт з участю викладачів, так и при самостійній роботі студентів з засвоєння навчального матеріалу у вільний від аудиторних занять час. Більш якісному опануванню знаннями сприяє виконання індивідуальних завдань.
Контроль якості засвоєння навчального матеріалу з кредитного модуля здійснюється в процесі навчання виконанням контрольних модульних робіт, на захистах індивідуальних завдань, на заліках та іспитах по закінченню семестру.
При складанні програми враховані окремі вимоги Болонського процесу, у т.ч. можливість застосування модульно-кредітного методу навчання.
При проходженні курсу студент повинен знати:
– види і класифікацію обладнання, для переробки еластомерів, термоеластопластів і пластичних мас у напівфабрикати (гранули, листи, рулонні матеріали, плівку та ін..) та вироби, його машинні модулі, принцип роботи обладнання;
– схеми технологічних агрегатів і технологічних ліній для переробки полімерів у вироби;
– технологічні і механічні модулі агрегатів і ліній;
– принцип роботи машинних модулів, агрегатів і ліній у цілому;
– технічні характеристики обладнання і методи їх визначення;
– розрахунки основних конструктивних і технологічних параметрів обладнання;
– енерго- та ресурсозберігаючі аспекти переробляючого полімери обладнання;
– перспективи його розвитку обладнання.
У результаті засвоєння цієї навчальної програми студент отримує теоретичні і практичні знання для більш ефективного проходження технологічної практики, для виконання кваліфікаційної роботи – дипломного проекту або дипломної роботи бакалавра.
2. Гумова галузь, її значення для промисловості та побуту
Гумова галузь охоплює підприємства, основною сировиною яких є каучук, а готовою продукцією - гумові вироби. Асортимент гумових виробів надзвичайно широкий і постійно розширюється; зараз він перевищує 60 тис. найменувань. Застосовуються гумові вироби практично у всіх областях народного господарства і в побуті.
Основний обсяг гумових виробів (понад 80%) випускається у вигляді деталей різних конструкцій, машин і апаратів. Серед них перш за все слід зазначити шини. Друга за обсягом (але не за асортиментом) виробництва група – гумові технічні вироби (РТИ): транспортерні стрічки, приводні ремені, рукави, гумометалеві, гумотекстильні; чисто гумові деталі різного устаткування; прогумовані технічні тканини та вироби з них. Третя група - вироби легкої та медичної промисловості. П'ята - інженерні об'єкти типу човнів, плотів, понтонів і т. д.
Гума являє собою багатокомпонентну систему, що складається з еластомеру (каучуку) і добавок, які вступають в складну взаємодію з каучуком і один з одним. Каучук являє собою полімер, відмінною особливістю якого є низька температура склування або кристалізації, що забезпечує виробам можливість експлуатації в високоеластичному стані в широкому температурному інтервалі (приблизно від -100 до +300 ° С). Крім натурального каучуку (НК) гумовики мають також в своєму розпорядженні широкий асортимент синтетичних каучуків (СК).
Застосування різних видів добавок (інгредієнтів гумових сумішей) дозволяє різноманітити властивості гум. Не вулканізовану суміш каучуків з інгредієнтами називають гумовою сумішшю і вона є основним матеріалом, з якого виготовляється гумовий виріб.
У більшості гумових виробів застосовуються також армуючи матеріали - текстильні волокна, нитки, тканини, металевий дріт і різні фасонні металеві вироби.
Технологія виробництва шин, РТІ та інших виробів включає в себе ряд операцій, переходів (переділів) і перетворень вихідної сировини. Переробка сировини у вироби на заводах гумової промисловості полягає в зміні його властивостей, стану, форми і розмірів в результаті фізико-механічних впливів і хімічних перетворень. Сукупність цілеспрямованих дій по перетворенню сировини в готовий виріб називається технологічним процесом.
При всій різноманітності гумових виробів в основі їх виробництва закладена єдина технологічна схема: підготовка вихідних матеріалів, приготування гумових сумішей, виготовлення напівфабрикатів, формування заготовок, їх вулканізація, обробка. Перші три процеси - загальні для виробництва всіх видів виробів. Наступні три (формування заготовок, їх вулканізація і оздоблення) різні в кожному з видів виробництв, а іноді й окремих груп виробів одного виду.
Технологічні процеси на заводах гумової промисловості можна розділити на ручні, машинні, апаратні та змішані. Раніше для виготовлення гумових виробів в основному використовувався ручний працю з незначною механізацією. Машинні технологічні процеси можуть бути частково і повністю механізованими. В машинних технологічних процесах обробка сировини і напівфабрикатів здійснюється шляхом впливу на них робочих вузлів машин. В апаратних технологічних процесах зміна хімічних і фізичних характеристик матеріалів відбувається в замкнутому робочому просторі. У технологічних процесах виробництва гумових виробів в даний час все ширше використовуються напівавтоматичні та автоматичні потокові лінії, все частіше з застосуванням комп'ютерної техніки.
Сучасний машинний технологічний процес виробництва шин, РТІ, інших груп виробів складається з ряду послідовно виконуваних основних (робочих, технологічних) і допоміжних (технічних, механічних) операцій. До основних зазвичай відносять ті операції, в результаті виконання яких змінюються властивості, стан об'єкта, здійснюється зміна певних якостей вироби. Допоміжними є загруз-розвантажувальні, установочно-знімні, транспортні та деякі інші операції. Час, необхідний для виконання основних і допоміжних операцій, зазвичай називають технологічним циклом. Для збільшення коефіцієнта корисної дії (ККД) машин бажано, щоб в технологічному циклі тривалість допоміжних операцій була якомога менше.
В основі виготовлення гумових виробів лежать процеси переробки полімерних матеріалів, однією з головних особливостей яких є перетворення на кінцевій стадії (вулканізації) пластичного каучуку або гумової суміші в еластичну гуму, тобто відбувається необоротна зміна структури та фізичних властивостей вихідного матеріалу. Процес переробки полягає в механічному деформуванні каучуку або гумової суміші, що приводить до пластичних деформацій і супроводжується складними фізико-хімічними перетвореннями. В умовах переробки каучук і гумова суміш не переходять у стан розплаву (у порівнянні з термопластами) і мають ряд особливостей механічної поведінки (релаксаційні явища, еластична складова загальної деформації), але еластомер здатний до деструкції і передчасної вулканізації. При переробці необхідно також враховувати їх вязкоеластичні і адгезійнофрикційні властивості.
Сучасний шинний завод - велике промислове підприємство. Підготовка сумішей здійснюється в гумозмішувачах великої одиничної потужності, подача сировини механізована. Процес автоматизований і його керування здійснюється ЕОМ. Просочення, сушіння, термообробка і гумовання корду здійснюються на сучасних потокових лініях. Збірка і вулканізація найбільш масових розмірів покришок оснащена продуктивними автоматизованими механізмами.
У промисловості гумових технічних виробів випуск формових виробів здійснюється методом лиття, а також з рідких поліуретанів. Виробництво неформових виробів розвивається в напрямку створення безперервних ліній, що включають черв'ячні машини холодного харчування та вулканізацію в рідких теплоносіях і високочастотними струмами (СВЧ). У виробництві гумового взуття значно розширився асортимент і покращилася якість виробів, впроваджено у виробництво поточно-механізовані лінії, конвеєри із закріпленими колодками і т. д.
Однак сучасні технологічні процеси виробництва гумових виробів, незважаючи на їх значні удосконалення, продовжують зберігати ряд серйозних недоліків, Вони обумовлені головним чином властивостями застосовуваного сировини, особливо в стосах і рулонах кристалізованого каучуку, сипучих компонентів. Тому, щоб домогтися корінного удосконалення технологічних процесів, необхідно вирішити питання про використання сировини в інший випускний формі, що забезпечує легку транспортування, безперервне дозування, легке заповнення форм. Каучук має бути переведений в свободнотекучее стан, якому відповідають гранульована або рідка випускні його форми, технічний вуглець 100% повинен бути гранульованим, як і інші великотоннажні пилоутворюючі компоненти.
При вивченні даного курсу нами буде розглянуто наступне обладнання: для підготовки каучуку до переробки; вальці; Гумозмішувачі; каландри; черв'ячні машини; лінії для виготовлення протекторів; лінії для обробки текстильного корду; для вулканізації шин; для виробництва транспортерних стрічок і плоских приводних ременів; для виготовлення формованих і неформованих ГТВ.
3. Механічні властивості каучуків і гумових сумішей при їх переробці
В основі виготовлення гумових сумішей і гумових виробів лежать процеси, пов'язані з механічним деформуванням матеріалів, що забезпечують перемішування компонентів суміші, надання гумової суміші певних форм і розмірів. Тому головною умовою правильного застосування необхідного технологічного процесу та обладнання є розуміння поведінки каучуків і гумових сумішей в процесі їх деформування, тобто їх механічних властивостей (їх реологічна складова).
Саме за своїми реологічними властивостям еластомери виявляють риси твердих і рідких тіл, тобто пружних і в'язкотекучий, але в той же час і якісно відрізняються від них. Як відомо, в ідеально пружних твердих тілах напруга пропорційно відповідній деформації, що розвивається миттєво, і не залежить від швидкості додатка напруги. У в'язких рідинах напруга визначається швидкістю деформації і не залежить від її величини. В еластомеру ж напруга залежить і від величини і від швидкості деформації. Ця особливість може бути визначена як в’язкопружна і високоеластична поведінка матеріалів.
Гума відрізняється великими деформаціями при порівняно низьких напругах. Тверді ж пружні тіла, навпаки, характеризуються великими напругами при низьких деформаціях. Є певні відмінності і між каучуком і гумою (зшитим каучуком). Якщо вести деформацію при нескінченно малій швидкості, то в каучуку напруга падає практично до нуля, тобто він виявляє явні ознаки в'язкої рідини. У гумі ж з пониженням швидкості деформації напругу знижується, але до деякого кінцевого значення, тобто гума ближче за механічним поведінки до твердого пружного тіла.
Таким чином, однією з головних особливостей механічних властивостей еластомерів, загальною для каучуків і гум і відрізняє їх від пружних твердих тіл, є істотна залежність напруги від часу дії сили або швидкості деформації, тобто відоме явище релаксації напруги або деформації. Залежність напруження - деформація має складний релаксаційний характер. У свою чергу релаксаційні властивості залежать від температури, підвищення якої збільшує швидкість релаксації і, таким чином, змінює механічні властивості еластомерів. При цьому при даній швидкості деформації напругу в незшитих еластомеру може знижуватися до нуля, а в зшитих еластомеру (гума) - до деякого кінцевого значення, обумовленого ступенем зшивання. Ця особливість поведінки еластомерів повинна враховуватися технологом при розробці режимів переробки еластомерів.
У реальних умовах експлуатації гум і переробки еластомерів практично не зустрічаються випадки дуже малих швидкостей деформації, тому механічні властивості еластомерів при кінцевих швидкостях деформації будуть визначатися як її рівноважними властивостями, так і релаксаційними.
Слід далі враховувати, що механічні властивості еластомерів можуть оборотне і необоротне змінюватися під впливом механічних і немеханічних чинників. Відомо, що після впливу деформації, хоча б короткочасної, механічні властивості змінюються, особливо в наповнених еластомеру. Частина цих змін може бути оборотної, зумовленої руйнуванням слабко зв'язаної структурної сітки, частина – незворотною, зумовленої механохімічними процесами руйнування структури і хімічних валентних зв'язків.
Серед немеханічних чинників може бути вплив теплоти, що впливає на процеси релаксації і приводить до оборотного зміни властивостей. При досить тривалому впливі теплоти і в присутності кисню повітря, а також під впливом інших агресивних речовин або середовищ відбуваються значні незворотні зміни, пов'язані з необоротним руйнуванням первісної структури і призводять до суттєвих змін механічних властивостей.
Виготовлення гумових виробів здійснюється за допомогою ряду послідовних процесів, які в принципі можна розглядати у вигляді трьох основних етапів: приготування гумових сумішей шляхом введення необхідних інгредієнтів в каучук, формування і вулканізація. З матеріалу з яскраво вираженими пластичними властивостями в результаті отримують еластичне виріб, в ідеалі не здатне до пластичних деформацій. Для того щоб здійснити змішання і різні процеси формування, каучук і гумова суміш повинні мати певну пластичність, тобто здатність до незворотних деформацій. Таким чином, суть всього технологічного процесу виглядає як надання каучуку пластичних властивостей, що досягається механічної або теплової обробкою і добавкою необхідних речовин, збереження цих властивостей на всіх етапах технологічного процесу і перетворення отриманого матеріалу шляхом вулканізації в гуму, тобто високоеластичний матеріал, що не володіє пластичними властивостями.
Виходячи з цього основними показниками технологічних властивостей еластомерів є пластичність або в'язкість і стабільність цих властивостей при переробці. Основною причиною зміни в'язкотекучий властивостей при переробці є передчасна вулканізація або підвулканізація (скорчинга), яку оцінюють показниками схильності до підвулканізація. Оцінку в'язкотекучий властивостей здійснюють за допомогою методів, які розглядає реологія. Реологією називають область фізики, що вивчає закони деформації і течії матеріалів під дією зовнішніх сил. Деформація може бути визначена як зміна розмірів і форми тіла, тобто зміна відстаней між різними точками або частками тіла без порушення його суцільності. Реальні тіла дискретні, так як складаються з окремих частинок (молекул, атомів), пов'язаних між собою силами взаємодії (тяжіння і відштовхування). Тому для опису повної напруги в якійсь точці тіла треба знати 9 компонент тензора напруження. В окремих випадках, коли на відносні переміщення частинок накладені певні умови, деформація і напруга можуть бути визначені повністю одним числом. До таких випадків можна віднести ізотропне розширення (стиснення), простий зсув і просте подовження. Враховуючи згадані вище особливості механічної деформації еластомерів, можна зробити висновок, що важливе значення в технології їх переробки мають дві основні реологічні характеристики матеріалів - в'язкість і пружність. Вони, в свою чергу, залежать від молекулярної структури еластомеру, молекулярної маси, молекулярномассового розподілу, складу гумової суміші і від багатьох інших факторів, а також від умов переробки, таких як температура, тиск і швидкість течії. Таким чином, для вибору технологічного процесу, обладнання та оптимізації умов переробки еластомерів необхідно глибоке розуміння взаємозв'язків між реологічними характеристиками, складом гумової суміші, характеристиками структури каучуку, з одного боку, і між реологічними характеристиками та умовами переробки, з іншого.
Однак оцінки тільки реологічних властивостей для прогнозування технологічного поведінки еластомерів недостатньо. Необхідні ще характеристики взаємодії матеріалу з металевою поверхнею робочих органів переробного обладнання, а також характеристики здатності матеріалу зберігати додану йому форму. Ці характеристики можна оцінювати з допомогою адгезійнофрикційні й когезійних властивостей матеріалів.
Література
1. Робоча навчальна програма кредитного модулю «Устаткування для переробки еластомерів», 2012. - 8.с.
2. Бекин Н.Г. Оборудование и основы проектирования заводов резиновой промышленности Учеб. пособие для вузов / Бекин Н.Г., Захаров Н.Д., Пеунков Г.К. и и др.. – Л.: Химия, 1985. – 504 с.