УДОСКОНАЛЕННЯ ЕКСТРУЗІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ З БАГАТОСЕКЦІЙНИМ ШНЕКОМ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ВТОРИННИХ КОМБІНОВАНИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ
При повторній переробці відходів композиційних полімерів і сумішей пластиків найбільше впливають на якість виробів, одержуваних з відходів, показники полімерного розплаву на виході з екструдера. При подальшому ж його проходженні екструзійної головки лише підтримуються температурні режими розплаву і відбувається його формоутворення. Під показниками полімерного розплаву мається на увазі його структурна однорідність, відсутність нерозплавлених і деструктованих включень, рівномірне температурне поле, рівномірність створюваного тиску. Досягти раціональних показників розплаву можна, удосконалюючи конструкцію шнека екструдера. З існуючих конструктивних рішень виконання шнекових вузлів екструдерів найбільш придатним до умов переробки вторинної комбінованої полімерної сировини є багатосекційні шнекові конструкції. У них матеріал послідовно проходить різні стадії переробки, обумовлені конструктивним виконанням секцій. Однак існуючі конструкції не забезпечують необхідної якості переробки для вторинної комбінованої полімерної сировини. Використовувані конструкції не дозволяють поєднати високий тиск переробки та продуктивність з високою якістю змішування компонентів, необхідного для переробки вторинної комбінованої полімерної сировини. На підставі аналізу особливостей властивостей вторинної комбінованої полімерної сировини розроблено функціональну схему екструзійного обладнання з переробки вторинної комбінованої полімерної сировини. Обладнання, реалізоване на підставі цієї схеми, забезпечує рівномірне плавлення компонентів суміші, гомогенне змішування, видалення з розплаву летких з'єднань і створення на виході розплавленого полімерного потоку зі стабілізованим тиском і продуктивністю. Схема включає ряд послідовно розташованих функціональних секцій. Перша секція: секція зони живлення розігріває матеріал, транспортує й ущільнює, що досягається завдяки використанню в якості конструкції секції зони живлення шнека екструдера ділянки з конічним гвинтовим каналом зі зменшенням глибини каналу шнека h. Друга секція (бар'єрна): розплавляє полімерну суміш, створює в результаті розплав з рівномірною за обсягом температурою і гомогенізацію (рівномірне змішування), за допомогою застосування спеціальної конструкції секції, коли в канал основного витка вводиться додатковий (бар'єрний) виток із змінюваним кроком Третя секція – декомпресії: вилучає вмістимі у відходах легколеткі з'єднання, завдяки використанню конструкції з частково заповненим каналом течії і вентиляційного отвору в циліндрі екструдера. Четверта секція – конічна секція зони дозування визначає тиск, що розвивається екструдером, шляхом використання ділянки з конічним гвинтовим каналом зі зменшенням глибини каналу шнека h. П'ята секція – циліндрична секція зони дозування необхідна для стабілізації значень тиску і продуктивності полімерного розплаву, завдяки застосуванню ділянки з циліндричним гвинтовим каналом.Шляхом спільного розв’язку рівнянь, що виражають закони збереження маси, енергії і кількості руху при ламінарній течії, з рівняннями, що описують фізичний стан полімерної маси у формі в’язкотекучої рідини, отримані математичні залежності розрахунку значення тиску і питомої витрати для кожної секції шнека з метою раціонального проектування конструкції й оцінки її ефективності. Визначено основні залежності розрахунку розмірів секцій, таким чином, щоб продуктивність екструдера відповідала продуктивності зони дозування: , (1) де Q3 – об'ємна продуктивність зони живлення; Qп – об'ємна продуктивність зони плавлення; Qд – об'ємна продуктивність зони дозування. Визначено результуючий тиск, що розвивається екструдером: , (2) де Рэ – тиск, що розвивається екструдером; L – ефективна довжина шнека екструдера; l – довжина мікросекції; Р(l) – перепад тиску на мікросекції; Р0 – тиск у зоні завантаження. З метою аналізу здатностей здібностей секцій шнека екструдера за товщиною смуг компонентів r для них отримано залежності лінійної швидкості за висотою каналу v(l), швидкості зрушення за висотою каналу г(l) і значення деформації зрушення для кожної секції Г. Для основної змішувальної секції – бар'єрної розрахунок значення деформації в бар'єрному зазорі робимо на підставі теорії витоків через зазор: , (3) де eб/tgцб – ширина бар'єрного зазора; дб – висота бар'єрного зазора; м – в'язкість суміші, що переробляється; – градієнт тиску уздовж осі l. На підставі витрати витоків значення швидкості зрушення . (4) Графічне зображення епюр лінійної швидкості і швидкості зрушення в каналі бар'єрного зазора показане на рис. 2. Рис. . Епюри лінійних швидкостей і швидкостей зрушення для бар'єрного зазора в напрямку осі шнека в бар'єрній секції екструдера Середня деформація зрушення дорівнює: , (5) де – середній час перебування часток у зоні гребня бар'єрного витка, дорівнює: , (6) де – середня інтегральна швидкість потоку в бар'єрній секції. Товщина смуг на виході з бар'єрної секції екструдера розраховується в такий спосіб: , (7) де r0 – початкова середня товщина смуг до деформації; е – концентрація ключового компонента. Аналогічні розрахункові методики якості змішування складені для кожної із секцій, що базуються на відомих залежностях розрахунку епюр швидкостей для основних зон екструдера. Третій розділ присвячено розробці і дослідженню математичної моделі для оцінки якості змішування компонентів, що переробляються, екструдером з розробленим багатосекційним шнеком у процесі обробки тиском полімерної вторинної суміші методом екструзії з метою визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів процесу. Модель роботи екструдера з багатосекційним шнеком являє собою послідовне і зв'язане за всіма параметрами математичне зображення роботи екструдера з переробки полімерних матеріалів з розрахунком питомої витрати екструдованого полімерного розплаву на виході з екструдера; тиску, що розвивається на виході з екструдера; середньої товщини смуг компонентів полімерної суміші, що переробляється, на виході з екструдера. Для адекватного моделювання роботи екструдера з багатосекційним шнеком у якості вихідних даних використовуються такі типи параметрів: геометричні розміри секцій шнека і екструзійної головки; технологічні параметри роботи екструдера; властивості полімерної композиції, що переробляється. Сутність математичного моделювання екструдера з багатосекційним шнеком полягає в послідовному проходженні в алгоритмі моделі за довжиною шнека і розрахунку основних характеристик його роботи з накопиченням результату або локально за координатою довжини шнека. Як метод реалізації математичної моделі роботи екструдера з багатосекційним шнеком застосовано метод Ейлера. Відлік координати довжини шнека ведеться через фіксовані інтервали довжини. Розрахункові події в моделі вважаються завершеними в момент закінчення цього інтервалу. Математична модель є циклом за незалежною координатою l, вихід з якого відбувається у випадку збігу поточної координати з довжиною шнека.
