Технологические расчеты в переработке пластмасс



Hatti £. Rao
NickHSdiott

Understanding
Plastics Engineering
Calculations
Hands-on Examples and Case Studies








HANSRR

Натти С. Рао Ник R Шотт




Технологические расчеты в переработке пластмасс

Практическое руководство

Перевод с английского языка под редакцией О. И. Абрамушкиной

|JT 3 Д Й 
гажжэзйж]

С анкт -Пете рбу рг 2013

ББК35.710
УДК 678.06
Р22





      Рао Натти С.
Р22 Технологические расчеты в переработке пластмасс / Натти С. Рао, Ник Р Шотт; пер. с англ, подред. О. И. Абрамушкиной. — СПб.: ЦОП «Профессия*, 2013. — 200 с., ил.

ISBN 978-1-56990-509-8 (англ.)
ISBN 978-5-91884-048-1

      В практическом руководстве представлены основные формулы н аналитические методы диагностирования оборудования и процессов, позволяющие переработчикам пластмасс решать повседневные задачи оптимизации производства. Иллюстративные примеры выбраны из областей реологии, теплопередачи, производства раздувных пленок, экструзионных покрытий, литья под давлением, конструкции экструзионного шнека, головки, литьевой формы. Универсальный набор уравнений и формул позволяет использовать их для различных целей — быстро н эффективно оценить влияние параметров оборудования и свойств материалов на качество готовых изделий, выявить проблемы и найти оптимальные пути их решения. Все расчеты многократно проверены практикой и могут быть выполнены непосредственно на рабочем месте с помощью инженерного калькулятора.
      Книга предназначена для инженеров, технологов, переработчиков пластмасс, преподавателей и студентов профильных вузов.


ББК35.710
УДК 678.06


Copyright © Сгг! Напое' Munich/HRG.
ЛИ rights reserved.
  .Authorized truncation from the original En^iC-i language erUrionpuhliCted £7 Cari Hansr Munich/TRG.

Roenpaea заи^щеНЫ. Никакая часть этой книги Не может быть еоопрсызеедеНа е Какой бито Ли бъмо форме 6s письменного разрешения еладелЬЦее аетороКихпрае.

Информация, содержаиугяаяе данной книге, порчена из иаточНиКое, раскматриеаемЫх издательством, КаКНадвжНЫе. Тем Не меНее, имея# еиду еозможНЫе человеческие или технические сшибки, издателЬстео Не может гараНтироеатЬ абсолк>тнук> точность и полноту приводимых сеед&ий и Не Несет omeemcme&i-Ности за еозможНЫе сшибки, сеязаНН Ые о исполЬзоеОНием книги.






ISBN 978- 1-56990-509-8 (англ.)
ISBN 978-5-9 1884-048-1

      © Carl Hanser Ver lag, Munich/FRG, 2012
      © Ц О П « Проф ессия» ,2013
      ■©ЦОП «Профессия», 2013: перевод, оформление

            Оглавление





Предисловие к русс кому изданию.......................................8
Предисловие...........................................................9

1. Реологические свойства расплава полимеров.........................11
   1.1. Течение рас плава полимера.................................. 12
       1.1.1. Эффективная скорость сдвига........................... 12
       1.1.2. Эффективная вязкость.................................. 13
       1.1.3. Степенной закон Оствальда и Де Виля................... 13
       1.1.4. Формула Клейна для расчета вязкости................... 14
       1.1.5. О пределение хар актер исти к п олимер а с помощью сте пени ого закона........................................................ 15
   1.2. Ицдекс расплава............................................. 17
   1.3. Взаимосвязь мехду расходом и потерей давления............... 18
   1.4. Скорость сдвига для экструзионных фильер.................... 19
   Литература........................................................23

2. Термические свойства полимеров в твердом состоянии и расплаве.....24
   2.1. Удельный объем...............................................24
   2.2. Теплоемкость.................................................27
   2.3. Коэффи циент термичес ко го ра сшире ния.....................28
   2.4. Энтальпия................................................... 30
   2.5. Теплопроводность.............................................31
   2.6. Температуропроводность.......................................32
   2.7. Коэффициент проникновения тепла..............................33
   2.8. Деформационная теплостойкость................................34
   2.9. Теплостойкость по Вика.......................................35
   Литература........................................................36

3. Теплопередача при переработке пластмасс...........................38
   3.1. Стационарная теплопроводность................................38
       3.1.1. Плоская стенка.........................................39
       3.1.2. Цилицдр................................................39
       3.1.3. Полая сфера............................................40
       3.1.4. Сфера..................................................41
       3.1.5. Теплопроводность в композитных стенках.................41
       3.1.6. Общая теплопередача через композитные стенки...........44
   3.2. Нестационарная теплопроводность..............................46
       3.2.1. Распределение температуры в од номерных твердых телах...46

О гла влен ие

       3.2.2. Температура термо контакта.............................52
   3.3. Теплопроводность с диссипацией...............................54
   3.4. Безразмерные комплексы.......................................55
   3.5. Конвективная тепло передач а.................................57
   3.6. Радиационная теплопередача...................................59
   3.7. Диэлектрический нагрев.......................................63
   3.8. За кон диффузии Фика.........................................64
       3.8.1. Проницаемость..........................................64
       3.8.2. Абсорбция и де сорбция.................................65
   3.9. Динамика воздушного зазора в процессе нанесения экструзионного потфыгия: анализ через размеры....................................65
       3.9.1. Теплопередача между пленкой и отфужающим воздухом......66
       3.9.2  Химическая кинетика....................................68
       3.9.3. Оценка экспериментов...................................69
   Литература........................................................70

4. Аналитические методыдиатностирования экструзионных шнеков.........71
   4.1. Трехзонный шнек..............................................71
       4.1.1. Производительность экструдера..........................73
       4.1.2. Зона питания...........................................73
       4.1.3. Зона дозирования (зона расплава).......................75
       4.1.4. Практический расчет трехзонных шнеков..................82
   4.2. Плавлен нетвердых частиц.....................................87
       4.2.1. Толщина пленки расплава................................87
       4.2.2. Профиль плавления......................................91
       4.2.3. Температура расплава...................................94
       4.2.4. Давление рас плава.....................................96
       4.2.5. Теплопередача между расплавом и цилицдром..............97
       4.2.6. Мощность шнека.........................................98
       4.2.7. Флуктуация температуры расплава...................... 101
       4.2.8. Флуктуации дав ления................................. 102
       4.2.9. Моделирование экструзионного шнека................... 102
       4.2.10. Меха ниче ская ко нстру кция э кструз ион них шнеков..110
   Литература...................................................... 112

5. Аналитические методы диагностирования экструзионных головок......114
   5.1. Расчет перепада давления................................... 114
       5.1.1. Влияние геометрии головки на перепад давления.........115
       5.1.2. Скорость сдвига в каналах головки.................... 116
       5.1.3. О бщее со отн ошение для перепада дав ле ний при лю бой з ада нн ой геометрии ка нала............................... 117
       5.1.4. П ример ы ра счета перепада да в лен ий в ка нал ах голо вки различи ой форм ы........................................... 118
       5.1.5. Повышение температуры и время пре быв ан ия рас плав а.125
   5.2. Спайдер-головки............................................ 126

О гла влен ие

7

   5.3. Головки со спиральным распределителем............................ 130
   5.4. Адаптация конструкции головки для предотвращения разрушения расплава......................................................... 132
      5.4.1. Гранулирующие головки....................................... 134
      5.4.2. Головки для раздувного формования........................... 134
      5.4.3. Краткое описание методики расчета головки................... 136
   5.5. Плоскощелевые головки............................................ 137
   5.6. Про стая методика р асчета па кета сеток для экструдеро в........ 139
   5.7. Параметрические исследования..................................... 145
      5.7.1. Экструзия трубы............................................. 145
      5.7.2. Р азду в ная пленка......................................... 148
      5.7.3. Термоформование............................................. 151
   Литература............................................................ 154

6. Аналитические методы устранения неполадок в литье под д авлением.......156
   6.1. Влияние типа полимерного материала и технологических параметров ТП А.................................................. 156
      6.1.1. Параметры, зависящие от полимера............................ 156
      6.1.2. Литьевая усадка и температура переработки................... 158
      6.1.3. Температура и время сушки................................... 160
   6.2. Плавление в шнеке литьевой машины................................ 160
      6.2.1. Модель....................................................... 161 '
      6.2.2  Результаты моделирования.................................... 164
      6.2.3. Размеры шнека............................................... 166
   6.3. Литьевая форма................................................... 166
      6.3.1 . Литниковые системы......................................... 166
      6.3.2  Заполнение формы............................................ 168
   6.4. Ре оло гичес кие с во йств а полимеро в для литья под да влением. 171
      6.4.1. Модель....................................................... 172 '
      6.4.2  Вязкость расплава и ицдекс течения........................... 173 '
      6.4.3. Экспериментальные результаты и обсуждение................... 174
   6.5. Охлаждение расплава в литьевой форме............................. 176
      6.5.1. Тепловой расчет литье в ой формы............................ 177
   6.6. Механический расчет формы........................................ 185
   6.7. Реологический расчет формы....................................... 186
   Литература............................................................ 189
Заключение................................................................ 191 '
Пр иложсение. Краткое о писа ние комп ьютер ных про грамм................ 192
Список ис польз о ванных сокращений....................................... 193 ,
Об авторах............................................................... 194
Предметный указатель..................................................... 195

                Предисловие к русскому изданию





Перед вами одно из немногих современных изданий по технологическим расчетам для р азличн Bix ти по в об орудо вания, — тл авн ым о бр аз ом, экструдер о в и литье ввтх машин, — хотя принципы и формулы расчетов применимы и дня других методов переработки пластмасс. Эта книга актуальна в связи с тем, что наблюдаемая тенденция автоматизации и компьютеризации оборудования с целью повышения его производительности и качества изделий постепенно приводит к тому что инженеры и технологи перестают вдумчиво анализировать причины неполадок в работе оборудования и возникновения брака.
  В настоящей книге показаны простые методы анализа происходящих с полимерами процессов, влияние различных параметров оборудования на качество ивделий и пути оптимизации процессов на основе формул, которые могут быть использованы на практике посредством инженерных калькуляторов. Эти сложные формулы зачастую содержат эмпирические коэффициенты, требуют внимания при расчетах и верного выбора граничных условий, однако они позволяют иногда на месте найти причины получения некачественного ивделия, недостижения заданных параметров (например, производительности экструдера), разработать пути изменения конструкции оснастки и т. п.
  Приводимые практически в каждом разделе примеры расчетов из областей течения полимеров, процессов те пл о пере носа при транспортировке полимера в цилицдре экструдера или литьевой машины, процессов охлаждения готового ивделия, конструктивных особенностей шнеков, а также анализ влияния различных параметров на производительность и качественные показатели ивделия, являются очень полезными для современных технологов, так как показывают пути решения проблем, возникающих в производстве пластмасс. Большое внимание уделено расчетам формующего инструмента различной геометрии; приведены коэффициенты, учитывающие отклонение от стандартных геометрических форм оснастки, что позволяет оценить, правильно ли сконструирована оснастка, и принять решение о ее модификации.
  Кн ига будет оче н ь п о лезн а техн о ло гам, р аб отающим н а пр ом ышл ен н ых предприятиях, практикующим инженерам, специалистам, дорабатывающим оснастку, преподавателям и студентам профильных вузов.
  Желаю успеха.

О. И. Абрамугикина

                Предисловие







Перед инженерам и-технологам и по переработке пластмасс, работающими в промышленных цехах, часто встает необходимость быстро найти ответ на некоторые вопросы, например — почему производительность экструдера низкая? можно ли повысить качество продукции путем замены полимера? как можно оценить потери давления в литниковой системе или впуске в литьевую форму?
  Решение этих проблем методами численного анализа современного уровня является трудоемким, дорогостоящим и требует квалифицированного персонала. Как показывает практический опыт, большинство вопросов можно решить быстро, применяя проверенные на практике методы расчетов, которые выполняются с помощью карманных калькуляторов и, следовательно, производятся непосредственно на месте работы.
  Основные расчетные формулы с примерами были подробно изложены в более ранних работах Натти Рао, адресованных инженерам по переработке пластмасс.
  Для соединения теории и практики в данной книге представлены аналитические методы, основанные на этих формулах и позволяющие переработчикам пластмасс решать повседневные задачи, связанные с конструкцией машин и процессом быстрой оптимизации. Применяемый еде сь ди агностический подхода основном заключается в определении того, подходит ли конструкция машины для достижения желаемых параметров процесса.
  Эта работа показывает преимущества использования на всех этапах производства — начиная с транспортировки твердого вещества и его плавления идо формования расплава в головке с образованием продукта — простых аналитических методов диагностирования оборудования и процессов путем проверки конструкции машины, и, при необходимости, ее последующей оптимизации в соответствии с требованиям и технологического процесса.
  Тематическое изучение разрушения расплава, однородности расплава, влияния геометрии экструзионного шнека на качество расплава, классификации литьевых полимеров на основе длины их течения и расчет потерь давления в литниках и впуске, — вот некоторые из множества тем, рассмотренных едесь подробно. Кроме того, чтобы читатели познакомились с задачами технологических расчетов, представлены параметрические исследования процессов экс

Предисловие

грузин ра'здувных пленок, груб, покрытий и листов, процессов термоформирования и литвя под давлением. Иллюстративные пр им ер bi в книге ввтбранвт из областей реологии, теплопередачи в процессах переработки пластмасс, производства раздувных пленок и экструзионных покрвттий, литвя под давлением, конструкции экструзионного шнека и головки.
  Одинаковый набор уравнений можно использовать дня достижения различных целей, — смотря по тому, относятся ли они к расчету экструзионной головки или литвевой форм bi. Практические расчетв! с соответствующими примерами показв!вают, как можно решитв различив!е задачи путем применения дан н Bix формул.
  Для удобства практического исполвзования формул bi в некоторвтх вычисле-ниях повторяются, — чтобы читатели не возвращался к другим разделам.
  Эта книга основана на практических примерах и описывает не только инструменты дня оценки влияния конструкции и параметров процесса на качество продукта, но также способы диагностирования практических проблем, возникающих в различных областях переработки полимеров. Она предназначена как дня новичков в области переработки пластмасс, так и для практикующих инженеров, студентов и преподавателей, а также дня всех, кто сталкивается в своей профессии с переработкой полимеров.
  В Приложении содержится краткое описание компьютерных программ, предназначенных дня расчета параметров экструзионных шнеков и головок. Программы можно получить при обращении к авторам по электронной почте (raonatti@t-online.de).
  Авторы признательны доктору Гюнтеру Шумахеру из Европейского объединенного исследовательского центра (Испра, Италия), за большую помощь в подготовке рукописи.
  Также выражаем благодарность доктору Бецджамину Дитриху (Технологический институт Карлсруэ, Германия) и доктору Ранганату Састри (Центр CIATEQ, Мексика) — за сотрудничество и плодотворные обсуждения.
  Натти С. Рао благодарит концерн -BAST 5.Е за разрешение пользоваться главной библиотекой в Людвигсхафене, Германия.

                                          Натти С. Рао, канд. техн. наук, Ник Р. Шотт, канд. техн, наук

                1. Реологические свойства расплава полимеров





Основной принцип изготовления деталей из полимернвтх материалов — получение расплава из твердого вещества и воздействие на него в филвере, форма которой соответствует форме изделия. Таким образом, течение расплава и теплопередача играют важную ролв в процессе переработки полимеров (рис. 1.1).

Пол имер в твердом состоянии



Пластикация



Расплав



Фор мо об ра зо ва ние



Охлаждение


Удаление изделия


Рис. 1.1. Принцип получения полимерных издеп ий

Технологические расчеты в переработке пластмасс


    1.1. Течение расплава полимера

Высокомолекулярные жидкости, такие как расплавы термопластов, демонстрируют в большинстве своем неньютоновское поведение. Это выражается в заметном снижении вязкости расплава при воздействии на него сдвига или растяжения, как показано на рис. 1.2 и 1.5. Течение расплава в каналах фильер и перерабатывающем оборудовании является, как правило, сдвиговым течением. Поэтому при проектировании оборудования и формующего инструмента дня переработки полимеров необходимо знание законов сдвигового течения. Для практического применения будет полезно краткое изложение найденных зависимостей.


1.1.1. Эффективная скорость сдвига
Эффективная скорость сдвига при течении расплава через капилляр определяется как

где Q. — объемная скорость потока в секунду; 2? — радиус капилляра.

Рис. 1.2. Зависимость вязкости при растяжении и при сдвиге полимерного расплава от скорости деформации [4]

Рис. 1.3. Кривые течения ПЭНП

  Это соотношение верно дня установившегося режима несжимаемого потока без учета эффектов на входе и выходе, и без учета скольжения по стенке и симметрии потока относительно осевой линии.

1. Реологические свойства расплава полимеров 13

1.1.2. Эффективная вязкость
Эффективная вязкость определяется как

Ъ = ± ■                             (1.2)

  На рис. 1.4 она показана в вцде зависимости от скорости сдвига и температуры дня ПЭНП.

Скорость сдвига 7, ст¹

Рис. 1.4. Зависимости вязкости от скорости сдвига и температуры для ПЭНП [11]

1.1.3. Степенноизакон Оствальда и Де Виля
Степенной закон Оствалвда [7] и Де Виля [8] легко применять, поэтому он широко используется в проектных работах [2]. Эта зависимость может быть выражена в виде

или

(1.3)


Т.-^НГ'                       ⁽¹'⁴⁾

где К — коэффициент пропорциональности; п — показатель степени в степенном законе (ицдекс течения). Часто используется другая форма степенного закона:

(1.5)