2785.Теоретические основы переработки полимеров
..pdfPRINCIPLES OF
POLYMER PROCESSING
Z E H E V T A D M O R
C O S T A S G. G O G O S
A W I L E Y - 1 N T E R S C I E N C E P U B I I C A T I O N
JOHN WILEY & SONS
N E W Y O R K |
BR I S B A N E |
С ш с ц е я т ек |
T O R O N TO |
З.ТАДМОР, к.гогос
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
переработки
полимеров
ввод с английского редакцией докт. техн. наук,
ф. Р. В. ТОРНЕРА
ОСКВА, «ХИМИЯ», 1984
Глава 6. Реология расплавовполимеров |
|
133 |
|||
6.1. Определяющие |
уравнения |
|
|
134 |
|
6.2. Неныотоновское |
поведение |
расплавов полимеров |
135 |
||
6.3. Определяющие уравнения расплавов полимеров |
140 |
||||
6.4. Линейная вязкоупругость |
. . . . |
|
147 |
||
6.5. Обобщенная |
ньютоновская |
жидкость (ОНЖ) |
. • |
153 |
|
6.6. Уравнение |
Криминейла—Эриксена—Филби |
(КЭФ) |
158 |
||
6.7. Экспериментальное определение вязкости и коэффициентов разности |
162 |
||||
нормальных |
напряжений |
|
|
||
6.8. Продольное течение |
|
|
169 |
||
Задачи |
|
|
|
|
177 |
Литература |
|
|
|
|
179 |
Глава 7. |
Теоретические основы смешения |
|
181 |
||||||
7.1. |
Основные |
определения |
и |
механизмысмешения |
181 |
||||
7.2. |
Описание смесей |
|
|
|
|
185 |
|||
7.3. |
Макрооднородность |
|
|
|
|
190 |
|||
7.4. |
Текстура |
|
|
|
|
|
|
193 |
|
7.5. |
Степень разделения и распределение степениразделения |
194 |
|||||||
7.6. |
Интенсивность |
разделения . |
|
|
197 |
||||
7.7. |
Описание процесса смешения |
|
|
198 |
|||||
7.8. |
Распределительное смешение |
|
|
199 |
|||||
7.9. |
Ламинарное смешение. |
|
. |
|
|
200 |
|||
7.10. Функции |
распределения |
деформации |
|
205 |
|||||
7.11. Распределение времен пребывания частицжидкости в смесителе |
210 |
||||||||
7.12. Обобщение функций распределения |
|
|
213 |
||||||
7.13. Флуктуация состава во времени |
|
|
213 |
||||||
Задачи |
- |
|
|
|
|
|
|
215 |
|
Литература |
|
|
|
|
|
|
219 |
||
Ч а с т ь |
III. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СТАДИИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ |
|
|||||||
|
|
ПОЛИМЕРОВ |
|
|
|
|
221 |
||
Глава 8. |
Механика движения |
|
сыпучихматериалов |
221 |
|||||
8.1. Значение сыпучих материалов в процессах переработки |
221 |
||||||||
8.2. |
Некоторые особые свойства сыпучих материалов |
222 |
|||||||
8.3. |
Агломерация............................. |
|
|
223 |
|||||
8.4. |
Круг Мора для |
напряжений |
|
|
224 |
||||
8.5. |
Уравнения |
равновесия . . . . |
................................................. |
226 |
|||||
8.6. |
Линии предельного нагружения |
227 |
|||||||
8.7. |
Распределение давления в цилиндрическихи конических бункерах |
231 |
|||||||
8.8. |
Гравитационное движение |
. . |
|
|
234 |
||||
8.9. |
Уплотнение материала |
|
|
239 |
236 |
||||
8.10. Движение |
в закрытых |
к а н а л а х .......... |
240 |
||||||
8.11. Движение, вызванное перемещением подвижных нормальных границ |
|||||||||
8.12. Установившееся движение, вызванное перемещением нормальных границ |
242 |
||||||||
|
движущегося объема и осложненноеторможением боковых стенок . |
||||||||
8.13. Установившееся |
вынужденное движение в |
прямоугольных каналах, |
245 |
||||||
|
вызванное трением стенок . |
|
|
||||||
Задачи |
. |
|
|
|
|
|
|
248 |
|
Литература |
|
|
|
|
|
|
250 |
||
Глава |
9. |
Плавление |
|
|
|
|
|
251 |
|
9.1. |
Классификация |
методов |
плавления |
. |
. |
251 |
9.2.Роль геометрии нагреваемого тела, граничных условий и физических
свойств полимера при плавлении |
256 |
9.3.Плавление полимеров за счет теплопроводности без удаления образую
щегося расплава |
F J |
9.4.Отверждение или плавление листа из полимера (числовое решение
9.5. |
методом конечных разностей) |
^ |
Движущиеся источники тепла |
|
|
9.6. |
Спекание |
|
9.7. |
Плавление за счет теплопроводности при принудительном удалении |
|
|
расплава |
|
9.8.Удаление расплава из очага плавления за счет движения нагретой
пластины |
. . |
9.9.Удаление расплава из зоны плавления избыточным гидростатическим
давлением 9.10. Диссипативный разогрев и плавление при смешении. Задачи
Литература
Глава 10. Создание давления и перекачивание расплава
10.1.Классификация методов создания давления
10.2.Динамические способы создания давления за счет сил вязкого трения
(течение между параллельными |
пластинами) |
|
10.3. Червячный насос |
. |
. . . |
10.4.Создание давления за счет сил вязкого трения (течение меаду не
параллельными плоскостями) |
~ |
10.5.Течение между двумя вращающимися валками . .
10.6.Создание давления за счет 'нормальных напряжений
10.7.Методы создания давления, в которых используются камеры с пе
ременным объемом |
. |
10.8. Плунжерный экструдер |
10.9.Течение расплава между двумя сближающимися параллельными
дисками .
10.10.Шестеренчатый насос
10.11.Двухчервячный экструдер с зацепляющимися червяками
Задачи
Литература
Глава И. Смешение в процессах переработки
11.1. Области применения процесса смешения
.11.2. Классификация. смесителей
11.3.Ламинарное смешение реологических однородных жидкостей .
11.4.Ламинарное смешение реологических неоднородных жидкостей.
11.5.Гомогенизация.
11.6. |
Диспергирование, . |
|
|
Д 1.7. |
Статические смесители |
|
|
11.8. |
Вальцы |
• |
: |
11.9.Смесители закрытого типа для интенсивного (диспергирующего)
смешения 11.10. Одночервячные экструдеры Задачи
Литература
Глава 12. Моделирование технологического оборудования по элементарным стадиям
12.1.Процесс одночервячной экструзии
12.2.Процесс пластикации в одночервячных экструдерах
12.3.Экструдер Фаррела
Задачи
Литература
267
276
278
280
281
294
297
299
302
304
304
306
317
329
332
340
346
347
349
353
355
362
365
367
367
368
371
384
389
391
395
397
402
406
413
416
418
428
452
457
460
Глава |
13. |
Формующий |
инструмент |
|
|
461 |
||
13.1. Течение в |
капиллярах |
|
|
464 |
||||
13.2. Высокоэластическое |
восстановление струи |
|
470 |
|||||
13.3. Формование волокна |
|
|
479 |
|||||
13.4. Формование листов и пленок |
|
|
481 |
|||||
13.5. Формование труб и рукавных пленок . |
|
|
487 |
|||||
13.6. Наложение изоляции на провод и кабель |
|
495 |
||||||
13.7. |
Экструзия |
профильных изделий |
|
|
500 |
|||
Задачи |
|
|
|
|
|
|
509 |
|
Литература. |
|
|
|
|
|
514 |
||
Глава |
14. Литье под давлением, прессование |
и заливка . |
517 |
|||||
14.1. Литье под давлением термопластов |
. |
|
517 |
|||||
14.2. Литье под давлением реакционноспособных олигомеров |
541 |
|||||||
14.3. Прессование |
|
|
|
|
549 |
|||
14.4. Заливка |
|
|
|
|
|
554 |
||
Задачи |
|
|
|
|
|
|
556 |
|
Литература |
|
|
|
|
|
559 |
||
Глава |
15. |
Вторичное |
формование . |
|
|
561 |
||
15.1. Вытяжка волокон из расплава |
. |
. |
561 |
|||||
15.2. Формование рукавной пленки раздувом4 |
567 |
|||||||
15.3. Математическое моделирование свободного пневмоформования (термо |
571 |
|||||||
формования). Эластичность |
|
|
||||||
15.4. Термоформование . . |
|
|
574 |
|||||
15.5. Выдувное |
формование . |
|
|
577 |
||||
Задачи |
|
|
|
|
|
|
584 |
|
Литература |
|
|
|
|
|
585 |
||
Глава |
16. |
Каландрование |
|
|
|
587 |
||
16.1. Процесс каландрования |
|
|
587 |
|||||
16.2. Математическое |
моделирование каландрования. |
|
589 |
|||||
16.3. Метод конечных |
элементов |
. . . |
|
595 |
||||
16.4. Анализ процесса каландрования методом МКЭ |
|
601 |
||||||
Задачи |
|
|
|
|
|
|
|
605 |
Литература |
|
|
|
|
|
605 |
||
Глава 17. Руководство к анализу процессов переработки |
полимеров методом |
607 |
||||||
'элементарных стадий |
|
|
|
|
||||
Приложение. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
617 |
|||||||
ПОЛИМЕРОВ |
|
|
|
|
|
|||
Условные обозначения |
|
|
|
|
624 |
'Бурно развивающееся в последние десятилетия производство изделий из полимерных материалов, которые сегодня используются практически во всех отраслях техники, потребовало,подготовки большого числа инженерно-технических работников, знакомых с фи зико-химическими основами переработки полимеров. Это в свою очередь породило потребность в специализированной литературе. Предлагаемая книга призвана помочь в работе инженерам-техноло- гам и инженерам-механикам, занимающимся эксплуатацией суще ствующего и созданием нового технологического оборудования и автоматизированных технологических процессов. Она может также служить учебным пособием для подготовки кадров по этим спе циальностям.
Авторы книги хорошо известны как крупные специалисты по теории переработки полимеров. Они трудятся в этой области более двадцати лет и успешно сочетают исследовательскую работу с педа гогической деятельностью.
Оригинальность и новизна предлагаемого подхода состоит в том, что для более глубокого понимания физической сущности процессов переработки эти процессы расчленяются на самостоятельные физи ческие стадии («элементарные стадии» в терминологии авторов); при этом подробно анализируются механические, термодинамические и физико-химические аспекты каждой из стадий. Затем на ряде примеров демонстрируется, как, пользуясь такими элементарными стадиями, можно построить практически любой технологический процесс, реализуемый на том или ином оборудований.
Особенностью книги является также то, что в ней удачно соче тается изложение теоретического материала с примерами его практи ческого применения к различным аспектам процессов переработки; при этом ставится ряд конкретных задач, часть которых разбирается в книге, а часть предлагается читателям для самостоятельного реше ния. Все это несомненно способствует более глубокому усвоению изложенного материала и поэтому является бесспорным достоин
ством книги.
Переводчики стремились сохранить оригинальную манеру изло
жения материала. |
|
|
(гл. 1—4, 16 |
Перевод книги выполнен д. т. н. Р. В. Торнером |
|||
и 17, разд. 6.7 и 6.8, Условные обозначения), |
к. |
ф-м. |
н. О. Ю. Саб- |
саем (гл. 5 и 6), инж. О. М. Панадий (гл. 7, |
11, |
14, |
15 и Приложе |
ние), к. т. н. Г. |
В. Добролюбовым (гл. 8—10) и к. т. н. Б. М. Гей |
даром (гл. 12 и |
13). |
Р. В. ТОРНЕР
В этой книге рассматриваются процессы переработки полимеров, которые используются в промышленности для превращения поли мерного сырья в готовые изделия, обладающие необходимой формой и заданными свойствами.
Наша цель состоит в исчерпывающем и всестороннем аналити ческом описании процессов переработкиполимеров, которое будет полезно инженерам-переработчикам. Традиционные методы описа ния переработки полимеров построены на анализе специфических технологических процессов, таких, как экструзия, литье под давле нием, каландрование и т. д. Наш подход основан на убеждении, что воздействия, которым полимер подвергается в том или ином виде оборудования, не имеют принципиального различия. Полимер, по падающий в любой вид перерабатывающего оборудования, подвер гается примерно аналогичным воздействиям. Поэтому каждый тех нологический процесс можно разложить на ряд последовательных элементарных технологических воздействий (стадий), которые служат для подготовки полимера к формованию любым известным техно
логическим методом. |
С другой стороны, мы обращаем внимание |
и на специфические |
особенности каждого из распространенных |
методов переработки полимеров или видов оборудования, которые заключаются в использовании какого-либо специального эле: ентарного воздействия или необычного механизма формования или, на конец, особого конструктивного решения.
Поскольку использованный подход дает ответ не только на во прос, как работает та или иная машина, но также и почему данное конструктивное решение является наилучшим из всех других теоре тически возможных, мы надеемся, что эта книга будет полезна не только для студентов, инженеров-технологов, занятых в промыш ленности переработки полимеров, и ученых, но и для конструкторов, работающих над созданием нового перерабатывающего оборудо вания.
Вводная глава освещает технологические аспекты важнейших методов переработки полимеров и иллюстрирует наиболее существен ные черты нашего аналитического подхода. В I и II частях книги изложены основные представления по физикохимии и механике полимеров, необходимые для инженерного анализа процессов пере работки. Особое внимание уделено проблемам связи между изме нениями структуры в процессах переработки и свойствами поли меров, находящимся на стыке между технологией переработки полимеров и полимерной наукой. Во всех главах этих двух частей подход носит чисто утилитарный характер, иначе говоря, объем приведенных сведений ограничен и подчинен изложению материала последующих глав.
В III части книги рассмотрены элементарные технологические стадии. Эти стадии описывают всю совокупность термомеханических воздействий, которым полимер может подвергаться в любом пере рабатывающем оборудовании перед формованием. Рассматривая
каждую из этих стадий отдельно, вне какой-либо связи с конкретным методом переработки, можно представить многообразие возможных конструктивных решений, позволяющих реализовать воздействие, предусмотренное соответствующей стадией. Часть III заканчивается главой, посвященной моделированию одночервячного экструдера, на примере которого иллюстрируется возможность анализа конкрет ного технологического процесса с помощью метода «элементарных стадий». Мы также рассматриваем новый вид оборудования для переработки полимеров для того, чтобы показать, как метод элемен тарных стадий облегчает создание принципиально новых кон струкций.
Книга заканчивается рассмотрением ряда способов формования, применяемых в технологии переработки полимеров. И опять каждый из этих методов формования рассматривается независимо от какоголибо конкретного метода переработки. В дополнение к логической классификации методов формования мы рассматриваем влияние переработки на надмолекулярную структуру, обусловленное меха нической ориентацией макромолекул при переработке, за фиксированной вследствие быстрого охлаждения.
Последняя глава представляет собой руководство, пользуясь которым читатель сможет применить метод элементарных стадий для анализа любого из известных процессов переработки. Такое руководство представляется необходимым из-за оригинальности при мененного в книге подхода.
Для студентов технологических и машиностроительных вузов, изучающих переработку полимеров, эта книга может быть исполь зована в качестве учебника. Задачи, приведенные в конце гл. 5—16, представляют собой упражнения, предназначенные для усвоения приведенного в курсе материала. Одновременно они демонстрируют возможность распространения изложенных в книге подходов на технологические процессы, которые в книге не рассмотрены. Раз мерности всех величин даны в СИ. Все обозначения тензорных вели чин соответствуют терминологии, принятой в монографии Берда *:
я = Р8 + т
где л _ суммарный тензор напряжений; Р — гидростатическое давление; т — часть тензора напряжений, которая возникает только при деформации среды (девиатор
тензора напряжений); Р и %ц положительны при сжатии.
Мы благодарим своих коллег, которые помогли подготовить настоящую книгу. Мы признательны также своим близким, чье понимание, терпение и поддержка все время помогали нам в работе.
* R. В. Bird, \V Е. Stewort, Е, N. Lightfoot. Transport Phenomena Wiley N. Y., 1960.