автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Регулирование свойств полипропилена в процессе червячно-дисковой экструзии

РГБ од

Г) / ПОП -Л

Российский химико-технологический университет _имени Д. И. Менделеева

На правах рукописи

ДАНИЛОВА ГАЛИНА МИХАЙЛОВНА

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛИПРОПИЛЕНА В ПРОЦЕССЕ ЧЕРВЯЧНО-ДНСКОВОН ЭКСТРУЗИИ

05.17.06 — Технология й переработка пластических масс и стеклопластиков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук а •

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре технологии переработки и применения пластмасс Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева.

Научный руководитель: кандидат технических . наук, доцент Будницкий Ю. М.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Торнер Р. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Калинчев Э. Л.;' доктор ; техничен ких наук, профессор Шевердяев О. Н,

Ведущая организация НПО'«Пластик*.

Защита состоится -у 1993 года

в 0 час, в \у/заседании специа-

лизированного совета Д 053.34,02 з Российском химико-технологическом университете имени Д. И. Менделеева по адресу: 125190, Москва, А-190, Миусская пл., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан &¿¡ти^-ё^ 1993 г.

Ученый секретарь \

специализированного совета

' Л. Ф. КЛАБУКОВА

Актуальность проблемы в-настоящее время Технология переработки пластмасс развивается в направлении усовершенствования существующих и создания принципиально новых процессов производства изделий с заданным комплексом эксплуатационных характеристик.

Среди термопластов, перерабатываемых экструзией, важное место занимает полипропилен, обладающий комплексом ценных свойств и широко использующийся для получения модифицированных и в том числе композиционных материалов. 1 Из экструзшшых методов переработки термопластов сравнительно новым и перспективным является червячно-дисковая экструзия, Однако, широкому внедрении этого метода в промышленность препятствует отсутствие теоретических и экспериментальных данных, описывающих влияние параметров переработки на конечные свойства изделий и возможности их регулирования.

Известным способом регулирования свойств, является введе-• ние в полимер модифицирующих веществ в процессе переработки. Изучение сочетания одновременного влияния параметров термомеханического воздействия при течении расплава полимера в рабочих частях червячно-^искового зкетрудера и модифицирующих добавок на структуру и свойства изделий позволит по нашему мнению целенаправленно регулировать параметры процесса переработки для получения изделий с заданным комплексом свойств.

Сель работы состоит в разработке метода' направ-

ленного регулирования свойств полипропилена в процессе чер-вячно-дисковой экструзии.

Научная новизна; разработан метод регулирования' свойств полипропилена в процессе червячно-дисковой экструзии, • основанный на управлении величиной термомеханического воздействия за счет варьирования параметров технологического режима переработки и введения модифицирующих веществ.

Установлено,- что, варьируя яехнологические параметры, можно изменять б нужном направлении реологические, релаксационные, молекулярно-массовые и прочностные свойства полипропилена. Показано, что введение модифицирующих веществ'поз-. болит расширить диапазон регулирования свойств полимера з процессе переработки.

Предложена математическая модель процесса червячно-диско-вой экструзии термопластов, которая, в отличие от существующих , учитывает вязкоэластические свойства расплава полимера.

Предложено проводить оценку степени изменения свойств

полипропилена с помощью критерия скорости протекания деструктивных процессов, учитывающая изменение вязкости расплава-■ полимера при переработке

Необходимый комплекс реологических и релаксационных свойств расплавоз материалов определяй по данным капиллярной вискозиметрии с пош!дью специально разработанной методики.

Практическая значимость работы: разработан алгоритм и программное обеспечение расчета параметров математической модели процесса червячкс-дксковой экструзии.'

Предложен способ экстраполяции технологических режимов, определенных в лаборатории-условиях, на промышленные, установки.

Выполнен расчет данных, позволяюсь сформулировать исходные требования для проектирования червячда-дискового экструдера производительностью .500 кг/ч .

Разработан алгоритм и программное обеспечение метода расчета реологических и рэл&кседисниых свойств расплаз'сз полимеров по данным вискозиметрическж испытаний и критерия скорости протекания деструктивны,-; процессов в расплавах полимеров ' под влиянием интенсивного теркомехакического воздействия.

Проведен выбор вида и оптимального содержания модифицирующие добагок, а так.:.? установлены условия введения модифицирующих веществ п полипропилен з пооцессе червячяо-диско-вой экструзии. '

Создан композиционный элекгропровдаздй материал с г.они-гйнноЯ горючестью на основе полипропилена, модифицированного в.процессе .переработки, рекомендованной для изготовления осадителыак электродов электрофильтров в производстве серной кислоты.

Объекты и методы •.'следований. В качестве объекта исследований использовали полипропнло» 'Ш) марки 2Ю20-15 ('ГУ 269К-В5), применявшийся для про;:;со;;етза прсфаша и _плеяочных изделий методом экструзии.

В качестве модифицирушк добавок использовали бутадиен-'-сти'рольные каучуки, герыээластопласта - пиперклекбутгди-енстиродьнкй, дивинйлстироль.чы? лилейного и разветвленного строения, олигомернке продеты - триетриметилфенилж-н, олигометилциклотетроси. л океан и рл::гооксипропяленгли}:оль. : Cmsвенке, компонентов проводили на лопастном флюидном сжител? "Ангер" в течение 10-15 мин., полученную смесь перерабатывали на каскадном. червячно-дискоЕом экетрудере КЭ'чд-45, с явсткозакрепленнкми червяком и диском. Диаметр

червяка 45 ш и 1/0=8, диаиетр диска 120' км,скорость вращения рабочего органа 20-200 об/мин. Зкструдер имеет четыре гоны обогрева; температура дисковой зоны 150-250 с,

Образцы для испытании получали методами экструзии и прессования. • .

Поочностныэ характеристики определяли в соответствии с ГОСТ 11260-80 И ГОСТ 14359-69.

Реологические и релаксационные свойства расплавов кате-• риалов исследовали на капиллярном в вискозиметре "Пнетрон-3211", в диапазон^ температур 1?0-250вС1 скоростей сдвига 10"'- 10 с?

Релаксационные свойства полимеров изучат.) на теркоаналп-загоре Фпркы "ИРОК" методами -динамического механического анализа (ДМ.А) при частоте колебаний 1 Гц, интервале температур -90-+190°С в рет© кагрева £5*С/Ш1.; дифференциальной сканирующей калоримэтрией (ДСК) в диапазоне температур -СО -+260 "С,; тершмехаяичэского анализа, методом пенетрациа гсяэнтера в реяше постоянного аагрухэшш (Р»0,05 Н), в диапазоне температур 25-200 С.

Нолехудярко- маессвиэ характеристики исследовал;! методом тзавратурнсго осааденкя полимеров из их растесроз на приборе "ТОП-1".

Обработку экспериментальна* дагеих проводили в соот-ветств!?и с ГССГ 14559-69..

Разработана методика, алгоритм, >.програ;шое обеспечение расчета показателей реологических," эластических и релаксационных свойств термопластов по данным капиллярной вискозиметрии в реальных условиях.

' Обработка экспериментальных данных показывает, что логарифмическая зависимость вязкости расплава от скорости сдвига и температуры списывается выражением:

С.г? * Т + сиТ+а.&ГГ. (1)

К)

где а,-_а,- коэффициенты уравнения регрессии, для определения которых используются получении? ваш экспериментальные данные Еискозинзтрических исслздовашй Ш1 в широком интервале температур и скоростей сдвига. Козйициект корреляции 0,99-0. 98.

Значения релаксационного спектра расплава определяли по Формуле: , •

и - -у ( а< -V Оз I)

^ (2)

Релаксационный модуль расплава определялся из выражения:

б» (з)

Полученные значения использовались в расчете параметров математической модели процесса и анализе. изменения _ свойств материала в процессе переработки.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводилось в следующих направлениях:

1. Изучение влияния параметров термомеханического воздействия в процессе червячно-дисковой экструзии на свойства .ПП

2. Определение возможности расширения диапазона регулирования свойств ПП за счет варьирования параметров процесса переработки в присутствии модифицирую®!* добавок.

3. Создание на основании существуют уточненной и. упрощенной математической модели процесса червячно-дисковой экструзии, которая описывает вязкоэластические свойства расплавов полимеров и позволяет определять ненаблюдаемые параметры процесса, влияющие на термомеханохимические превращения в полимере, и экстраполировать найденные в лабораторных условиях режимы переработки полимера в изделия с заданными свойствами на оборудование необходимой производительности.

4. Разработка композиционного материала с улучшенными свойствами на основе ПП, перерабатываемого методом червячно-дисковой экструзии.

V. Математическое моделирование процесса червячно-дисковой экструзии.

рассмотрены существующие математические модели процессов переработки полимеров и использующиеся в них реологические уравнения состояния. Применяющееся в распространенных математических моделях процесса червячно-дисковой экструзии реологическое уравнение состояния ньютоновской »¡дкости не дает возможности адекватно описать реологическое поведение расплава полимера , так как не учитывает его эластические свойства На основании этого сделано заключение, что в математической модели .червячно-дисковой ■ экструзии необходимо применять уравнение состояния вазкоэластичной жидкости Уайг-та-Мецнера, так как оно описывает упругие свойства полимерных расплавов, возникновение нормальных напряжений, эффект Байсенберга. В связи с этим поставлена задача создания уточненной и упрощенной модели на базе существующих с применением выше указанного реологического уравнения состояния.

- ь -

Конструктивные особенности аппарата и условия проведения процесса переработки дают возможность принять следующие. уп-.рошэюшие предположения: движение материала в дисковой зоне экетрудера является плоским, вынуаденным,. установившимся течением сплошной, несжимаемой, вязкоэластичной адкости кевду двумя, дисками в изотермических условиях без учета возникновения вторичных циркуляционных потоков. Используя эти допущения, построена математическая модель процесса червяч-но-дисковол экструзии. .

Модель предусматривает численное определение сдвиговой И нормальной составляющих тензора напряжений деформации! рели-чину сдвиговой составляющей рассчитываем из соотношения:

, (4)

где К - величина коэффициента консистенции.

п-:ШЬ!£о , (5)

ое«*

где В -величина зазора между диском и корпусом; V -скорость вращения диска; г -текущий радиус.

Величину нормальных напряжений рассчитываем из выражения:

где- (?- рдшг диска.

величину объемного расхода рассчитывали из выражния:

НГ^П-ПШ^. <»

где и- щня червяка.

Бремя пребывания расплава полимера в зоне интенсивно^ термомеханического воздействия определяли из выражения:

'(9

Математическая модель процесса червячно-дисковой экструзии позволяет определять следующие параметры установившего^ течения расплава полимера в дисковом узле оборудования: распределение значений скорости деформирования по поперечному сечению дискового зазора, время пребывания полимера в зоне интенсивных термомеханических 'воздействий, траекторию' движения потока полимера, величину сдвиговой и нормальной составляющих тензора напряжений деформации, позюлякщге. рассчитывать энергосиловые параметры процесса; ректоры, влияющие на конечный структурный и ориентационный порядок -

- о -

ориентирующие напряжения, накопленную суммарную деформацию б • расплаве полимера, которая является определяющей величиной при оценке качества ламинарного смешения; параметры

процесса: удельную работу вязкого трения, суммарный крутярй момент на валу двйгателя.

Для расчета параметров математической модели процесса червячйо-дисковой экструзии разработан простой , доступный в реализации алгоритм,моделируюэдй процесс, численное решение в.котором осуществляется методом сегок с постоянным шагом.

Математическая модель использована для расчета оптимальных технологических режимов и исходных данных для проектирования технологического оборудования нухной производительности по величине ненаблюдаемых параметров процесса, инвариантных к геометрическим размерам аппарата (скорость деформации, величину деформации сдвига и время пребывания полимера в дисковой зоне зкструдера).

Оптимизацию технологического рехима переработки ПП в процессе червячно-лисковой зксрузии проводили, сочетая методы математического и физического моделирования процесса. Для проведения Физического моделирования поведения материала при переработке экспериментально исследовали влияние параметров процесса на свойства перерабатываемого материала и..изделий из него в лабораторных условиях. По этим данным определяли технологический реяим получения изделий с улучшенными свойствами.

Изменение свойств полипропилена в процессе червяч-но-дисковой экструзии.

При проведении физического моделирования процесса исследовали влияние технологического р?®:.:* переработки на чер-вячно-дискоьом. экструдере К?Ч2-45 на свойства ПП, отражедие превращения, протекаю®;* в материале.

Эффективность воздействия оценивали по изменению реологических свойств расплава материала, подвергшегося переработке при различных температурно - скоростных ремшах, а связи с тем, что изменение вязкости отражает происходящие в материале превращения.

Известно, что при деформировании расплава ПП происходят превращения, которые могут ензезгь как уменьшение, так и у верчение его молекулярной массы и, что вклад механического воздействия в скорость и глубину протекания деструктивных процессов существенно выше, чем вклад только термической и термоокислительной деструкции. Эти данные обусловили использование критерия глубины протекания деструктивных процессов.

Идея применения критерия не нова. Обычно критерий позво-

ллет оценить влияние условий деформирования на скорость изменения молекулярной массы, но' требует измерения хотя бы начальной молекулярной массы полимера.

В нашем случае, считоч, что эффективная вязкость расплава ПП чувствительна к изменению молекулярной массы и молеку-лярно-массового распределения (ММР), а так же с учетом специфики термомеханического воздействия, развивающегося в процессе червячно-дисковой экструзии, критерий глубины деструктивных процессов предлагается рассчитывать из выражения:

Ие^:

где наибольшая ньютоновская вязкость исходного ПИ

наибольиая ньютоновская вязкость переработанного в процессе червячно-дискоЕой экструзии ПИ

а- коэффициент пропорциональности,равныйз-да?

Критерий имеет то достоинство, что не требует определе-.ния молекулярной массы полимера.

Исследовали влияние суммарной деформации сдвига и.времени пребывания полимера в зоне интенсивного термомеханического воздействия на свойства ПП, изменяя температуру переработки при постоянной скорости сдвига и варьируя скорость сдвига в широком диапазоне при неизменной температуре переработки. Зависимость прочности при растяжении образцов ПП от деформации сдвига и времени пребывания в дисковой зоне представлены на рисунке 1. В таблице 1 представлены показатели свойств ПП, переработанного методом червячно-дискоЕой экструзии при различных технологических режимах.

Отмечено, что образцы, полученные при температуре переработки 190 и 210*0, обладают большей вязкостью , чем вязкость исходных, не подвергавшихся переработке образцов.

При повышении температуры выше 210*0 наб;..одается снижение вязкости до значений ниже вязкости исходного ПП. Приведенные данные, очевидно , связаны с протекающими в материале физико-химическими превращениями.

Для оценки этих превращений исследовали молекуляр-но-массовые характеристики материала. Так зафиксирован рост молекулярной массы в 1,1 раза и полидисперсности в 1,25 раза У образцов, переработанных при температуре 210*0. "Повышение температуры переработки до 230°0 приводит к снижению величины средневесоЕОй молекулярной массы в 1,25 раза, повышению полидисперсности в 1,5 раз. Приведенные данные, очевидно, связаны с повышением скорости протекания деструктив^ ных ■ процессов при повышении температуры переработки выше 210°С.

Таблица 1.

Свойства ПИ, переработанного при различных технологических режимах процесса червячно-дисковой экструзии.

• Парам, режима •

Ср. вес. молекул, гасса. ¡.¿.'10 Эффект. ВЯЗКОСТ] üa-o-ló' Полидис-персностз fV/H. од. Прочностх прл растя женил, мПа Относит, -уллшен of Критерий глубины деструкт процесс* ел.

200 4,03 4 31,50 300

210 4,83 4,5 30,15 550 0,33

220 5,07 5 . 41,60 500- 0,63

190 3,79 7 31,75 350 1,38

205 5,20 4 31,67 . 500. 0,39

190 2,09 6 34,10 450 • 1,54

170 1,49 - 9 32,60 350 3,13

200 3,51 5 36,75 450 1,16

150 2,21 7 30,20 350 3,84

120 1,01 9 25,35 300 5,62

Исх. газ . Т-ра* .1900 5к.сд.20Сс 1Т-ра . 21СЙ

ск.сд.гсоб

Т-ра 230с. Ск.сд.200р Т=ра~ 210ц Ск.сд.ЮО^ Т-ра 21ÜC Ск.Сд.ЗСМ'. Т-ра 21 CD, CKjCE.45Qe' Г-ра" 23ÖÜ.

Ск.сд.ЗООр Г-ра гзос Ск.сд.450с

Прочность мало изменяется при повышении температуры до 210-230'С." Хотя, несколько более высокими значениями обладают образцы, полученные при температуре 210"С.

При исследовании свойств материала подвергшегося переработке в диапазоне скоростей сдвига 100-450 с! обусловленных конструктивными возможностями аппарата, и температуре переработки 2Ю*С, установлено следующее. В расплавах ПП, подвергшегося переработке при скорости сдвига 100 и 200 с,1 эффективная вязкость, соответственно на 27 и 22 % Екше значений ' вязкости исходного материала. При этом отмечен рост молекулярной массы, повышение значений полидисперсности. На интегральных кривых ММР заметено увеличение количества высокомолекулярных фракций.

Эти результаты, по наиему мнению, связаны с некоторым преобладанием процессов присоединения, над процессами деструкции. Наибольшей прочностью обладают образцы ГШ переработанные при скорости сдвига 200 с .

При повышении скорости сдвига до 300 с вязкость расплава уменьшается примерно на 43 %. При этом наблюдается смещение кривой .релаксационного спектра в сторону меньших Еремен релаксации, что не отмечалось ранее. Изменение скорости проте-

- у -

кания деструктивных процессов приводит к некоторому снижению уровня значений средневесоЕой молекулярной массы и повышению полидисперсности. Анализ интегральных кривых Ш поназывает, что происходит снижение количества как низко-, так и высокомолекулярных фракций. После переработки в указанном рел;ме прочность увеличивается.

У образцов ПП, переработанных при скорости сдвига 450 с ; наблюдается . резкое снижение величины эффективной вязкости в 2,6 раза. Одновременно отмечено уменьшение величины молекулярной массы по сравнению с исходным ПП, повышение полидисперсности и дальнейшее снижение значений прочности при разрыве. Эти данные свительствуют о протекании процессов деструкции.

Яри исследовании влияния скоростного рег;та пег-:-работки при 230вС на реологические свойства образцов ПП отмечено монотонное сшиение вязкости расплавов ГЦ при пот,тети скорости сдвига в- дисковой зоне экструдера. Такой те характер носит изменение уровня значений молекулярной масс--. При этом увеличивается полидисперсность и колп^с:зо низко'.плекуляр-ных фракций в составе материала. Прочностные поглазели образцов изделий заметно ухудшаются. Таким образом, повышение температуры переработки выше гюЬ во всем интервале скоростей сдвига оказывает негативное влияние на свойства материала и ускоряет протекание деструктивных процессов.

Проведенные исследования указывают на •¡с^.'лм'ость регулирования реологических и физике-механических сво^лз ГШ в процессе червячно-дисковой экструзии за счет иг-м^к'-пя параметров термомеханического воздействия, вла^до ьа интенсивность протекания физико-химических процессов. Зафиксировано улучшение свойств изделий из ПП при температуре переработки ■ 210'С и в диапазоне скоростей сдвига 200-300 с/ как и ухудшение сеойстз в других условиях, что обусловлено изменением величины молекулярной массы и ММР. Эти изменения влияют на реологические свойства расплава материала.

Зависимости величины критерия скорости протекания деструктивных процессов от скорости сдвига и температуры переработки, представлены на рисунке 2.

Анализируя полученные при испытаниях образцов и значения критерия скорости протекания деструктивных процессов ::

данные^ исследования молекулярно-массовых свойств ПП, сделано заключение, что значениям ^ соответствуют -процессы присоединения и разветвления, а +1 - процессы деструкции.

Сопоставляя значенияполученные при испытаниях образцов ГШ, переработанного при различных технологических рем-

цов ПП, переработанного при различных технологических режимах, и рассчитанные с помощью математической модели, можно предложить использование критерия для оценки физико-химических превращений протекающих в полимаре при изменении параметров термомеханического воздействия. •

С учетом значений 1Р> определен оптимальный режим переработки ПП на используемом экструдере в изделия с улучшенными прочностными характеристиками: температура переработки 200-22$!, скорость вращения диска 90-97. об/мин.,. что обеспечивает уровень, скорости сдвига 200-300 с'и врени пребывания в дисковой зоне 7,73-3,24 с, полная деформация сдвига 7350-8200.

• Используя математическую модель процесса червячно-диско-вой экструзии, рассчитаны исходные данные для проектирования аппарата производительностью 500 кг/ч и технологические параметры с переработки ПП в изделия с указанным уровнем свойсте.

Регулировать свойства полимерного материала в процессе -переработки возможно не только изменения технологические параметры процесса, ;:о и ьь счет введения модифицирующих доба-

„вок. Эту возможность

Q и Па

в следующей части работы.

200 210 „. 2Ш> аа « за)

Рисунок 1. Зависимость прочности при разрыве исследуемых образцов от температуры (1,2,3) и скорости сдвига (1', Й) в дисковой зоне экетрудера.

1,1'- ПП, 2,2'- ПП + ДСТ-ЗОР, з,з'- ПП + оопг.

/

1 1

/

г

4

г7

г/ 1/

ы ■

VI /

Рисунок 2. Зависимость величины критерия скорости протекания деструктивных процессов для образцов ПП от скорости сдвига, при различных температурах 1-190'С, 2-210вС, 3-230 С.

- u -

' 3. Регулирование свойств ПП за счет введения модифицирующих' добавок.

. На . основании анализа литературных данных , результатов работ кафедры технологии переработки и применения пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева и проведенных нами исследований сделано предположение об усилении влияния параметров процесса червячно-дисковой экструзии на свойства ПП в присутствии модифицирующих добавок.

Известно, что на эффективность действия добавок . влияют условия их введения, которыми можно управлять в процессе червячно-дисковоЛ экструзии, создавая высокий уровень смесительного, диспергирующего и гомогенизирующего воздействия.

Основой выбора добавок послужило изучение их влияния на реологические .и релаксационные показатели ПП и конечные свойства изделии из него.

•Модификацию проьодили при изменении содержания добавок в диапазоне от 0,2 до 207. масс.

Исследовались и-сравнивались с исходным но, подвергнутым переработке ПП, реологические, релаксационные и прочностные свойства модифицированных материалов.

Наибольшее изменение эффективной вязкости наблюдалось в присутст^1:". 0,8% ;.:?.сс. олигооксипропиленгликоля и 10% масс. диЕишихпиШЬН'.го термээластопласта. Поэтому влияние технологических параметров переработки исследовали на образцах с указгх'ым содержанием добавок,

Бисксзичетрические испытания образцов материалов проводились в широком интервале температур и скоростей сдвига.

Установлено, что наибольшее снижение вязкости достигается в образцах, ;"\"-гфицированкых олигооксипропиленгликолем при температуре 18о! -и скорости сдвига 250 с1и дивинилсти-рольным термсэластопластом при температуре переработки 180*0 и скорости с;вига 200 с*на 45 и SO X соответствен1'1. Кривые релаксационного спектра смещается в сторону меньших времен релаксации, что , возможно, свидетельствует об ускорении протекания релаксационных процессов в расплаве материала.

Поэтому на следующем этапе проводилось исследование влияния добавок на температурные области релаксационных переходов образцов, По данным динамического механического анализа и дифференциальной сканирующей каллориметрии зафиксировано смещение температурных «С- и]Ь- переходов на 5 и 17вС, соответственно, в область более низких температур. '

Прочностные показатели композиционных материалов имеют уровень значений на 20 и ЗОХ Еыше показателей образцов немо-диф'ицированного ПП,- полученных при оптимальном рехиме(рис. 1).

- ш -

Улучшение прочностных показателей модифицированных материалов, очевидно, связано с достижением оптимальных параметров гермомеханпческого воздействия б процессе переработки - деформации сдвига 7350-8200 и времени пребывания в высокотемпературной зоне 4,2 - 6,3 с, при изменении значений этих показателей эффективность действия добавок падает.

Снижение уровня эффективной вязкости и ускорение протекания релаксационных процессов в расплаве композиционных материалов, достигаемые прий= 100-200 с и Т="190-200еС, обеспечило достижение необходимых скоростей деформирования при более низких температурах, что привело к снижение энергоемкости процесса переработки.

Результаты исследований .позволили считать приемлемым снижение температуры переработки модифицированных материалов на, 20-30'С по сравнению с обычно применяемой для ПП с одновременным увеличением прочности.

На основании проведенных исследований сделан вывод о том, что введение модифицирующих добавок в ПП в процессе червячно-дисковой экструзии приводит к расширению диапазона регулирования свойств ПП, улучшению его прочностных характеристик, снижению уровня вязкости, ускорению протекания релаксационных процессов. ' •

■ Полученные данные позволили подойти к разработке композиционных материалов с заданным комплексом эксплуатационных характеристик.

4_ Получение изделий из композиционного материала на основе ПП, модифицированного в процессе червячно-дисковой экструзии.

Нами исследовалась возможность получения композиционного материала на основе ПП, обладающего электропроьодностью и пониженной горючестью, и производства профильных изделий из него. Такие изделия применяется для производства осадитель-ных электродов полимерных электрофильтров в производстве серной кислоты. В ранее выполненных совместных работах кафедры . переработки пластмасс . РХГУ им. Д. И. Менделеева, Московского нефтеперерабатывающего завода и НИИОГАЗ показано, что композиционный материал на основе ПП, обладающий требуемым комплексом свойств, должен содержать углеродные наполнители - технический углерод и саму ацетиленовую, анти-пирекы - декабромдифенилоксид, трехокись сурьмы. В связи с большим содержанием вводимых компонентов происходит ухудшение деформационно- прочностных характеристик материала. Для устранения этого недостатка использовали в качестве матрицы '"¡Л, мод и' I! ц!! ров гнный ■ э лас томе ром.

Применение червячно-дискового экструдера для получения композиционного материала обусловлено возможностью осуществления необходимого смесительного и диспергирующего воздействия на компонеш композиционного материала и модификации его с целью достижения .заданного комплекса свойств изделий. Наличие интенсивного сдвигового течения в дисковой зоне и достаточно высокого давления экструзии в червячной зоне позволвот перерабатывать высоковязкие материалы и равномерно распределять вводимые в-исходный материал компоненты.

Еысокая однородность распределения компонентов необходима для образования непрерывной цепочечной структуры электропроводящего наполнителя в масс? полимера/ так как именно такие структуры обеспечивают хорошую проводимость материала по тоннельному механизму. Высокая эффективность'смешения обуславливает так же и равномерное распределение антипиренов в системе "полимер-наполнитель"и позволяет получать материалы о пониженной горючестью.

Многообразие протекающих в композиционных материалах при переработке явлений, количество факторов, влияние которых до.тао быть учтено, сложность и высокая стоимость оборудования вызывают затруднения в проведении полного набора экспериментов для оптимизации рецептуры многокомпонентного композиционного материала , в связи с 'этим в работе использовались методы -планирования оптимального эксперимента.'

На основании регрессионного анализа результатов исследований свойств образцов материалов,полученных на основании-матрицы планирования эксперимента ( прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве, прочность при изгибе , удельная работа ударной вязкости , удельное объемное электрическое сопротивление , стойкость к возгоранию (кислородный индекс(Кй)) , показатель текучести расплава (ГГГР)) , построена гегрешг'нная.модель, отражающая влияние содержания наполнителей на комплекс конечных свойств композиционного материала. Модель представляет собой систему уравнений в виде полиномов второго порядка.

С помощью модели рассчитаны значения выбранных показатели свойств композиционных материиалов. Расчетные значения отличались от экспериментальных не более чем на + 15 %.

Полученные уравнения регрессии были использованы для решения задачи оптимизации состава материала,обладающего хорошей проводимостью, стойкостью к возгоранию и повышенной прочностью. Одним из наиболее удачных способов решения этой задачи, лишенной вычислительных трудностей, является.использование предложенной Харрисоном функции желательности в ка-

- i 4 -

.честне обобщенного критерия оптимальности.

Раечетны,i путем получена рецептура композиционного материала содержащего 101 графита, 15 % масс, технического углерода, 10 % касс, трехокиси сурьмы, 8 % масс^ дегсабромдифеки-лошща, в качестве. модифицирующей добавки' 10% шее. рви-нияетиролыюго термозластопласта. Материал додан облада ть следующими свойствами:

Q¡, 22,3uHa, ü » 75%, б'.^ = 24 мПа, а =Б,7 кДгУм, fy - 0,45-10 См*м , ШР -2,8г/Юмин, ' Ш! -31,52.-"*у Пэкаааш» свойств полученного нами.па данной рецептуре материала, определенные экспериментально, отличались от расчетных де более чзм на 52, что подтверждает оптимальность рассчитанной рецепуурн и хорошую сходимость метода спгимиза-цни. •

Па основании анализа уровня вязкости расплава композиционного штерййла и данных по оптимизации режа переработки кекаполконаого ГШ нами преддокзн решл - скорость сдакга 130 с'и температура переработки 223*С (деформаций сдвига 1С071 и время пребывания в дисковой зоне 10,33 с), обесцечпвающй поьышние уровня прочности гяструэнониых изделий па 30 %.

Таким обрэгом, р&грабо1'йНй1й электропроводящей кжркал с пониженной горючестью на основе ПП, модифицированного в процессе червлчно-дисковой экструзии, шш быть рекомендован для применения г, производстве осадительных электродов поли-изрных электрофильтроз.

Результаты исследования переданы длл практической реализации НУйОШ. Ьаувэиа опытная партия материала, прошедшего апробацию при выпуске методом экструзии многоканальной 'пдаешш кз разработанного материала для изготовления- электрофильтров.

ВЫВОДЫ:

1. Разработай метод направленного регулирования сеойстб полипропилена' В процессе червячно-дисцовой экструзии за счет варьирования параметров терыомехмшчеекого воздействия - де-

. формации ' сдвига и времени пребывании в высокотемпературной зоне, управляемых, температурой и скоростью сдвига при переработке.

2. Создана математическая модель процесса червячно-дисковой экструзии' термопластов, учитывающая специфические эластические и релаксационные свойства расплавов полимеров. Модель позволяет рассчитывать физические параметры процесса, инвариантные от геометрии оборудования - суммарную де-

формации сдгига г, время пребывания з дисковой зоне, значения скорости и н-"Пря»?к"я сдвига, траектория движения Потока полимера, значения нормальных и ориентационньк напряжений в расплаве, удельную работу вязкого трения в полимерной системе, приложенный крутящий момент на вачу главного привода , производительность и энергоемкость процесса.

3. Разработан способ экстраполяции оптимальных реяшоз получения игделий, определенных в лабораторных условиях, на промышленное оборудование и расчет исходных данных для проектирования аппаратов необходимой производительности. •

4. Показана возмодность регулирования молекулярно-массовых, реологических, релаксационных и физике-механических свойств полипропилена за счет варьирования параметров термо-ыехаиического *■ .воздействия в процессе чергччно-дискоЕой экструзии. , ,

5. Для оценки влияния параметров термомеханического воздействия в процессе переработки на свойства полипропилена предложен критерий скорости протеканил деструктивных процессов, учитывающий изменение вязкости расплава полимера при переработке.

6. Установлено, что введение модифицирующих веществ расиряет диапазон регулирования свойств полипропилена. Проведен выбор вида, оптимального педерастия и условий введения кодифэдруквдх добавм» При этом дос-игоясл еледущие эффекты: снижение эффективной вязкости, • ^¡.эренке протекания релаксационных процессов и улучшение прочностных свойств материала.

7. разрабстгкз оптимальная рецептура композиционного электропроводящего материала с пониженной горючестью на основе модифицированного в процессе червячно-дисковой. экструзии, полипропилену.

8. Регул!тать; работы по получению электропроводящего материала ."-реданы для практической реализации з НЖОГАЗ для производства оекцжгельйих электродов, лржзкягахзя в агрессивных средах. Комплекс программ расчета пгря.'гроз процесса черзячпэ-дисковой экструзии термопластов передан а ПО "Бекфор" и вклячен в состав автоматизированной системы проектирования процессов экструзии полимеров.

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в'следующих работах:

1.Кочеров ЕЛ, Б/дницкий ЕМ., Данилова Г.II Модификация термопластичных материалов в процессе переработки //"По-лимермаш-91":Тез. докл. Бсесоз. конф. - Киев,1991. - С. 15.

2. Данилова Г. М., Будницкий Ю. М. Кочеров В. Л Термопластичные материалы с улучшенными свойствами //Проблемы и перспективы развития производственного'объединения "Томский нефтехимический комбинат": Тез. докл. 5-го отраслевого совещания. -Томск, 1991. - С. 139-140.

3. Данилова Г. и .Будницкий К1М. Регулирование свойств полипропилена в процессе червячно-дисковой экструзии //Проблемы и 0 перспективы развития производственного объединения "Томский нефтехимический комбинат": Тез. докл. 6-го отрасле-■ вого совещания. - Томск, 1992. -С 18.

.4. Данилова Г. М. .БудницкийЮ. II, Торнер Р. В. Реологические свойства полимерной системы на основе полипропилена //"Реология-9й",Днепропетровск, 1992. -О 94.

5.. Данилова Г. , Будницкий Ю. И. Регулирование свойств термопластов в процессе червячно-дисковой экструзии ( ВИНИТИ. рукоп. деп. 17 дек. 1992. N "3904-92. .