Новая технология вторичной переработки и утилизации пленочных полимерных материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 678.023

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ПЛЕНОЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Д.Л. Полушкин, А.С. Клинков, М.В. Соколов, И.В. Шашков

Кафедра «Переработка полимеров и упаковочное производство», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: координата сечения входа; координата сечения выхода; скорость течения материала вдоль оси X; скорость течения материала вдоль оси 2; средняя удельная деформация сдвига; суммарная величина сдвига.

Аннотация: Определены технологические параметры при вторичной переработке пленочных термопластов с учетом наилучших физико-механических показателей получаемых гранул.

Мировое производство пластмасс возрастает в среднем на 5... 6 % ежегодно и к 2010 году, по прогнозам, достигнет 250 млн тонн. В России предположительно к 2010 году полимерные отходы составят более 1 миллиона тонн, а процент их использования до сих пор мал.

Сегодня проблема переработки отходов пленочных полимерных материалов имеет актуальное значение и в первую очередь с позиций охраны окружающей среды. Между тем в условиях дефицита полимерного сырья пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсами.

Существующие способы утилизации отходов пластмасс либо приводят к загрязнению окружающей среды и сокращению земельных угодий, либо требуют значительных финансовых затрат и сложны технологически.

На кафедре «Переработка полимеров и упаковочное производство» ТГТУ разработана технология утилизации пленочных отходов упаковочных полимерных материалов по непрерывной технологии. Технологический процесс (рис. 1) осуществляется следующим образом: отходы полимеров непрерывно загружаются с левой стороны рабочей поверхности валков вальцов.

При движении полимера вдоль оси валков вальцов происходит плавление, удаление летучих компонентов, пластикация, возможно модифицирование различными добавками и окрашивание расплава. Для гранулирования расплав полимера продавливается через отборочно-гранулирующее устройство 3, установленное с правой стороны валков вальцов, с образованием прутков (стренгов) заданного поперечного сечения. Полученные стренги режутся ножом 4 и собираются в емкости 5.

В процессе исследования вторичной переработки пленочных полимерных материалов на валковых машинах по непрерывной технологии была проведена серия экспериментов по определению показателя текучести расплава полимера I, пределов прочности ор и текучести от и относительного удлинения е.

Цель экспериментов заключалась в определении технологических параметров процесса (частоты вращения валков, величины минимального зазора между

1

2

3

4

5

х

Рис. 1 Схема технологического процесса утилизации пленочных отходов:

1 - валковый пластикатор-гранулятор; 2 - полимер; 3 - отборочно-гранулирующее устройство; 4 - нож; 5 - бункер для гранул

валками, величины фрикции) и диаметра фильеры отборочно-гранулирующего устройства, при которых достигаются максимальные прочностные показатели получаемого гранулята (предел прочности и относительное удлинение при растяжении).

В процессе экспериментов использованы нижнее и боковое отборочно-гранулирующие устройства. После проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных установлено, что наилучшие свойства переработанного по разработанной технологии вторичного сырья достигаются при частоте вращения переднего валка и = 20 об/мин, диаметре фильеры йф = 5 мм, величине минимального зазора между валками к0 = 1,5 мм, величине фрикции / = 1:1,2.

Из анализа экспериментальных данных можно сделать вывод, что использование нижнего или бокового отборочно-гранулирующего устройства не оказывает существенного влияния на свойства получаемого гранулята. Однако при использовании бокового отборочно-гранулирующего устройства производительность возрастает в 2,2 раза, а удельная мощность уменьшается в 2,4 раза по сравнению с этими же показателями при использовании нижнего отборочно-гранулирующего устройства (рис. 2, 3).

Также были проведены исследования непрерывного процесса переработки на ЭУ пленочных отходов полиэтилена низкой плотности производственного и общественного потребления при найденном наилучшем режиме гранулирования.

Сравнительный анализ свойств гранул, полученных из отходов ПЭНП производственного и общественного потребления, и гранул, полученных из первичного полиэтилена низкой плотности марки 15803-020, показал [1, 2], что характер кривых зависимости свойств гранул, полученных из отходов ПЭНП производственного и общественного потребления, аналогичен поведению кривых зависимости свойств гранул, полученных из первичного полиэтилена низкой плотности марки 15803-020. Это подтверждает найденный оптимальный режим переработки полиэтилена на вальцах по непрерывной технологии. Ухудшение прочности при разрыве, относительного удлинения при разрыве, увеличение показателя текучести расплава гранулята, полученного из отходов ПЭНП производственного и общественного потребления, вызвано влиянием различных факторов на полимер при его первичной переработке, эксплуатации и хранении.

6 5 4 3 2

1

О

\т

Z

Z

7

у

У

20

15

10

5 10 15 20 25 30 и, об/мин

-Нижнее отборочно-гранулирующее устройство

000 Боковое отборочно-гранулирующее устройство

Рис. 2 Зависимость производительности от частоты вращения валков

0 5 10 15 20 25 30

г/, об/мин

Нижнее отборочно-гранулирующее устройство

Боковое отборочно-гранулирующее устройство

Рис. 3 Зависимость удельной мощности, затрачиваемой на 1 кг продукции от частоты вращения валков

При вальцевании существенное влияние на качественные показатели получаемого гранулята (предел прочности, относительное удлинение при разрыве) оказывает суммарная величина сдвига, которая зависит от различных технологических (частота вращения валков, величина минимального зазора между валками, фрикции, «запаса» материала на валках) и конструктивных (конструкция отбо-рочно-гранулирующего устройства, диаметр и длина фильеры) параметров процесса. В работах Р. В. Торнера [3] суммарная величина сдвига определена при периодическом режиме вальцевания по формулам (1), (2). В данной работе определена суммарная величина сдвига для непрерывного процесса вальцевания, при которой наблюдаются наилучшие качественные показатели гранулята, получаемого из отходов пленочных термопластов, и проверена адекватность математической модели.

Средняя удельная деформация сдвига, реализуемая за один проход при вальцевании с фрикцией, определяется выражением

% х = U5

1 -1

, . х — X (1 — Х2) arctg Х к Х н +

1 — Хн Хк

1 — 212(1 + Хк2)

1 + х2хн — Х 2 ^2 к

1 + х

н

Х

Х

1 + X2 1 + Х2

\ — 1(1 + Хк2) 2 (1 + Хк2) [1 — 12 (1 + Хк2)]

+ arctg^X—)![2,8^02/в (1 + Хк2)(Хк — Хн)]1,

(1)

где

Хн =

j2Rho2 '

Xк =

j2Rho2 '

(2)

где хн - величина координаты сечения входа, м; хк - величина координаты сечения выхода, м; Я - радиус валка, м; к02 - половина величины минимального зазора между валками, м; 1 = (и1 - и2)/2ио , где и2 - окружная скорость заднего валка,

м/с; и - окружная скорость переднего валка, м/с; ио =(и1 + и2)/2 - среднее значение окружной скорости валков, м/с; /в - длина рабочей части валка вальцов, м.

У

+

т

Y

11

к

Величина сдвига вдоль оси X определяется по формуле

gx = Yx'C), (3)

где i(t) - число проходов

U0t (l + X2)

i(t) = 7-01 . , (4)

( х к - Хн

где t - продолжительность (время) вальцевания.

Для определения суммарной величины сдвига - вдоль оси X и вдоль оси Z (непрерывный режим работы валкового оборудования) - сделаны следующие допущения.

1 Разбиваем длину валка на множество элементарных участков zj (рис. 4), соответствующих j-му проходу.

Суммарную величину сдвига определяем по формуле [4]

k

gc = Z gj' (5)

j=l

где Yj - величина сдвига за один проход, определяется по формулам (1), (2), в ко-

n

торых /в = z; Zj = Z dzi ; dzi = dli ■ cos фг-; tg фг- = vxi /vzi; vxi - скорость течения i=1

материала вдоль оси X, определяется по формуле (6); vzi - скорость течения материала вдоль оси Z, определяется по формуле (7); d/i =(Xi - Xi-1)/sin9i;

A

d

A

А-А

Xi-1

а)

Зона деформирования б)

Рис. 4 К расчету ус:

а - допущения; б - циклограмма движения материала в зоне деформации

1в/ = ^ dli , где 4/ - путь, пройденный материалом за один проход в зоне дефор-i=1

к

мирования; к - число проходов, при котором ^ 2/ = 1в, где 1в - длина рабочей

/=1

части валка.

vri = —

1 + X2

3 (H )2 (X2 - X 2)+^+(H )21(1+X2)

(6)

где H =

V2RÄo2

- безразмерная координата;

3QW

4Ао2ТЩ

где

W =

(1 + X2)

02

2

Y- I -1

2X 2 (5 + 3X 2)

(1+X2 )2

(7)

{AX - 3,4XкX 2 - AX3 - 3,34XкX 4 + 0,6AX 5 - 0,86XKX6 + 0,143AX7 -

- 6Xк arctg X + A

- 6 X„

где A = 6XK arctg XK +

(X + X3 + 0,6X5 + 0,143X7)arctgX-0,23ln(1 + X2) } (3Xк2 + 5) ^

X к

X H

(8)

2 X2

(1 + Xк2)

Q - заданная производительность.

2 Считаем, что безразмерная координата сечения выхода Хк изменяется от

зоны загрузки до зоны выгрузки по линейному закону (см. рис. 4)

После расчета величины сдвига вдоль оси X по формулам (1) - (4) (периодический процесс) и расчета суммарной величины сдвига ус по формулам (5) - (8)

(непрерывный процесс) в зависимости от технологических и конструктивных параметров процесса были проведены эксперименты, и получены графические зависимости свойств гранулята (предела прочности при разрыве ор) от величины сдвига у, показанные на рис. 5.

Анализ зависимости (см. рис. 5) показывает, что максимальные значения предела прочности при разрыве наблюдаются при одинаковой суммарной величине сдвига (2395,25). Однако при непрерывном процессе время вальцевания в 2,1 раза меньше, чем при периодическом. Следовательно, достижение необходи-

мой величины сдвига, которой соответствуют максимальные физико-механические показатели, возможно изменением времени пребывания, частоты вращения валков вальцов.

h

2

х

X

X

X

2

16 -12 -8 -4 -

ООО Непрерывный режим (ор) □ □ □ Периодический режим (ор)

Время при непрерывном режиме

Время при периодическом режиме

0 550 1100 1650 2200 2750 ус

Рис. 5 Зависимость ор от суммарной величины сдвига ус при периодическом и непрерывном режимах работы вальцов

Список литературы

1 Шашков, И.В. Валковое оборудование и технология процесса непрерывной переработки отходов пленочных термопластов: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / И.В. Шашков. - Тамбов, 2005. 16 с.

2 Клинков, А. С. Автоматизированное проектирование валковых машин для переработки полимерных материалов: монография / А. С. Клинков, В.И. Кочетов, П.С. Беляев, В.Г. Однолько. - М.: Машиностроение-1, 2005. 320 с.

3 Торнер, Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов) / Р.В. Торнер. - М.: «Химия», 1977. 464 с.

4 Шашков, И.В. Расчет параметра качества гранулята при утилизации отходов термопластов на вальцах непрерывного действия / И.В. Шашков, Д. Л. По-лушкин, А.С. Клинков, М.В. Соколов // Наука на рубеже тысячелетий: сборник материалов международной научно-практической конференции: 21-22 октября 2005 г. - Тамбов, 2005. - С. 130-132.

New Technology of Recycling and Salvaging of Film Polymer Materials D.L. Polushkin, A.S. Klinkov, M.V. Sokolov, I.V. Shashkov

Department "Polymer Processing and Packaging Production ", TSTU

Key words and phrases: coordinate of output section; the velocity of material flow along X axis; the velocity of material flow along Z axis; average specific shift deformation; total shift value; coordinate of input section.

Abstract: Technological parameters of recycling of film thermoplastics with regard for the best physical-mechanical indexes of obtained granules are determined.

Neue Technologie der sekundären Verarbeitung und der Verwertung der

Folienpolimerm aterialien

Zusammenfassung: Es sind die technologischen Parameter bei der sekundären Verarbeitung der Folienplastomere unter Berücksichtigung der besten physikalischmechanischen Kennziffern der bekommenden Granulen bestimmt.

Nouvelle technologie du traitement secondaire et de l'utilisation des matériaux polymères à film

Résumé: Sont déterminés les paramètres technologiques lors du traitement secondaire des thermplastes à film compte tenu des meilleures indices physiques et mécaniques des granules reçus.