Пугачев Д.В. Влияние структурных и реологических факторов на кинетику процессов твердофазной обработки термостойких полимерных материалов - файл n1.doc

Пугачев Д.В. Влияние структурных и реологических факторов на кинетику процессов твердофазной обработки термостойких полимерных материалов
Скачать все файлы (2778.5 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc2779kb.18.02.2014 13:45скачать

n1.doc

  1   2
На правах рукописи
Пугачев Дмитрий Владимирович


ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

НА КИНЕТИКУ ПРОЦЕССОВ ТВЕРДОФАЗНОЙ ОБРАБОТКИ

ТЕРМОСТОЙКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тамбов 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, Научно-образовательном центре 019 ТамбГТУ – ИСМАН «Твердофазные технологии» и на кафедре «Теория машин, механизмов и детали машин».


Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор

Столин Александр Моисеевич





доктор технических наук, профессор

Баронин Геннадий Сергеевич


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Шерышев Михаил Анатольевич





доктор технических наук, профессор

Ярцев Виктор Петрович


Ведущая организация

Институт химической физики РАН (г. Москва)


Защита диссертации состоится «___» ________ 2010 г. в ___ч ____ мин на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ГОУ ВПО ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета, с авторефератом диссертации дополнительно на сайте http:\\www.tstu.ru.

Автореферат разослан «___»_________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев



Подписано в печать 17.11.2010.

Формат 60 ґ 84 /16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 565.
Издательско-полиграфический центр

Тамбовского государственного технического университета

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационного исследования. При получении изделий из композиционных материалов традиционными методами расходуется большое количество энергии, так как они включают в себя длительные стадии нагрева и охлаждения материала в прессформе. Высокие значения температуры плавления термостойких полимеров затрудняют их переработку, что сдерживает использование традиционных технологий и диктует необходимость перехода к новым технологическим процессам и оборудованию обработки композиционных материалов.

Одним из перспективных направлений переработки полимерных материалов, которое имеет большое практическое значение, является обработка полимеров давлением в твердой фазе. Данная работа посвящена изучению влияния структурных и реологических факторов на кинетику процессов твердофазной обработки термостойких полимерных материалов на основе фторопласта-4 и полисульфона в условиях твердофазной экструзии и одноосного прессования. Отсутствие системных теоретических и экспериментальных исследований в этой области не позволяет использовать широкие возможности твердофазной технологии.

Работа выполнялась в соответствии с российско-американской программой «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE), проект НОЦ 019 ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии» при финансовой поддержке американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) на 2007 – 2010 гг. и Министерства образования и науки России в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2006 – 2008 гг., код проекта РНП.2.2.1.1.5355, а также в соответствии с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007 – 2012 гг., госконтракт № 02.513.11.3377 от 26 ноября 2007 г.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось исследование влияния структурных и реологических факторов на кинетику процесса твердофазной обработки термостойких полимерных материалов на основе фторопласта-4 и полисульфона в условиях твердофазной экструзии и одноосного прессования.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Исследование влияния дисперсности и морфологии частиц фторопластов различных марок на кинетику их уплотнения.

2. Изучение реологического поведения полисульфона и фторопласта-4 при одноосном холодном прессовании.

3. Исследование устойчивости технологических режимов процесса твердофазной экструзии фторопласта-4, полисульфона и АБС-сополимера в широком диапазоне скоростей нагружения (2 … 200 мм/мин) и различных механизмов потери этой устойчивости.

4. Определение допустимых областей (интервалов) изменения скоростей нагружения, в которых реализуются устойчивые режимы процесса экструзии.

5. Изучение эксплуатационных свойств композиционных полимерных материалов на основе полисульфона и фторопласта-4, полученных методом твердофазной экструзии.

6. Изучение влияния модифицирующих добавок на физико-химиче-
ские свойства экструдатов, полученных при жидко- и твердофазной экструзии. Сравнение молекулярно-релаксационных и структурно-механиче-
ских характеристик композитов на основе полисульфона и фторопласта, полученных в процессе жидко- и твердофазной технологии.

7. На основе изучения кинетики процессов твердофазной обработки термостойких композиционных полимерных материалов на основе полисульфона и фторопласта-4, их реологического поведения, физико-механи- ческих свойств и структурных характеристик выдача практических рекомендаций по осуществлению процессов твердофазной экструзии и прессования в промышленном производстве изделий из термостойких полимерных материалов.

Научная новизна:

  1. Впервые получены данные по кинетике уплотнения фторопласта-4 различных марок и влиянию дисперсности и морфологии этих материалов на кинетику уплотнения, изучены механизмы уплотнения, соответствующие различным стадиям процесса химической технологии – твердофазной обработки термостойких полимерных материалов.

  2. Впервые исследованы реологические характеристики порошкообразного фторопласта-4 различных марок: модуль сжатия и коэффициент сжимаемости (G, kсж), величина линейной деформации (?*), а также зависимость давления прессования от относительной плотности.

  3. Методом ядерно-магнитного резонанса установлено повышение степени кристалличности на 5 … 7% в образцах фторопласта-4, полученных в процессе твердофазной экструзии, в сравнении с образцами, полученными жидкофазным методом.

  4. Впервые изучены твердофазные процессы химических технологий теплостойких полимеров, получены молекулярно-релаксационные и струк-
    турно-механические характеристики композитов на основе полисульфона и закономерности формирования их молекулярно-топологического строения в результате обработки давлением в твердой фазе.

5. Установлено, что устойчивый технологический режим твердофазной экструзии фторопласта-4 реализуется при условии, когда характерное время структурных изменений меньше, чем характерное время уплотнения материала. Показано, что при характерном времени уплотнения, большем времени тепловой релаксации, реализуется режим недопрессовки. Именно в этом режиме оказывают сильное влияние на процесс уплотнения реологические свойства материала, а сам процесс уплотнения носит существенно нестационарный и неизотермический характер. Для обратного соотношения между указанными характерными временами реализуется режим максимального уплотнения.

Практическая значимость:

1. Решены практические вопросы твердофазных процессов и аппаратов химических технологий термостойких полимеров – определены режимные параметры процесса твердофазной экструзии фторопласта-4 и полисульфона, обеспечивающие устойчивость процесса деформирования материала и высокое качество поверхности экструдированных образцов.

2. Установлены режимные параметры процесса прессования фторопласта-4 для получения заготовок, такие как давление прессования и время выдержки, в зависимости от дисперсности и морфологии частиц порошкообразного фторопласта. Экспериментально установлено, что время прохождения стадии пластического деформирования для различных марок фторопласта-4 при его уплотнении зависит от дисперсности частиц порошкообразного материала.

3. Для ультрадисперсного фторопласта «Форум» определены модуль сжатия G, коэффициент сжимаемости kсж , величина линейной деформации ?*, оптимальная относительная плотность заготовки ?отн и необходимое давление прессования Рпресс G = 13,89 МПа; ?= 0,59; kсж = 0,07 Па–1; ?отн = 0,8; Рпресс = 20 МПа. Эти результаты также могут быть использованы и для решения технологических задач получения изделий и заготовок из других марок порошкообразного фторопласта-4.

4. Установлено, что устойчивый технологический режим твердофазной экструзии фторопласта-4 реализуется при условии, когда характерное время структурных изменений меньше, чем характерное время уплотнения материала. Устойчивый режим деформирования при твердофазной экструзии АБС-сополимера имеет место в промежуточном интервале значений скоростей (от 5 до 200 мм/мин), а в области малых скоростей (< 5 мм/мин) и в области больших скоростей (> 200 мм/мин) наблюдается неустойчивый режим экструзии.

5. При исследовании усадочных процессов в условиях изометрического нагрева установлено, что у ПСФ-композита с содержанием 1 массовой части углеродного наноматериала (УНМ) наблюдается увеличение температуры теплостойкости примерно на 20–25 и снижение уровня остаточных напряжений на 25% в сравнении с исходным материалом.

6. На основании полученных результатов выданы рекомендации по применению твердофазной технологии и методики изучения реологического поведения полимерных порошков в условиях одноосного прессования. Для ультрадисперсного фторопласта «Форум» указанные реологические характеристики используются на Кирово-Чепецком комбинате и Всероссийском научно-исследовательском институте использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов) для получения изделий триботехнического назначения для двигателей внутреннего сгорания большегрузных машин и механизмов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика и результаты исследования кинетики уплотнения фторопласта-4 различных марок и влияния дисперсности и морфологии этих материалов на кинетику уплотнения.

2. Механизмы уплотнения, соответствующие различным стадиям процесса твердофазной обработки термостойких полимерных материалов.

3. Исследование допустимых областей устойчивости технологических режимов обработки давлением термостойких полимерных материалов в твердой фазе в широком диапазоне скоростей выдавливания и механизмов отклонения процесса твердофазной экструзии от допустимых областей устойчивости.

4. Исследование влияния модифицирующих добавок (углеродного наноматериала УНМ «Таунит», карбида и диборида титана) на кинетику процесса твердофазной обработки термостойких полимерных материалов.

5. Экспериментальные данные по структуре и свойствам полисульфона и фторопласта, а также композитов на их основе, полученных твердофазными методами обработки давлением и жидкофазными методами. Сравнительный анализ молекулярно-релаксационных и структурно-механических характеристик этих композитов.

6. Практические рекомендации по применению твердофазных методов обработки давлением для изделий триботехнического назначения из фторопласта-4 различных марок.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 24 всероссийских и международных научных конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, а также получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка используемых источников (126 работ отечественных и зарубежных авторов). Содержание диссертации изложено на 154 страницах машинописного текста, включает 77 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении охарактеризовано современное состояние получения и обработки композиционных и керамических материалов, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии создания и обработки композиционных материалов, особенностях процессов твердофазной обработки термостойких полимерных материалов на основе полисульфона и политетрафторэтилена; проанализировано влияние физико-химического строения термостойких полимеров на возможность их переработки в твердой фазе; определены основные направления совершенствования процессов твердофазной экструзии композиционных материалов на основе термостойких полимеров; сформулированы цель и задачи диссертационной работы; обоснован выбор объекта исследования; определены методы решения поставленных задач.

Во второй главе описываются объекты, оборудование и методики исследований. Объектами исследований служили композиционные полимерные материалы на основе полисульфона (ПСФ) и политетрафторэтилена (ПТФЭ) различных марок.

В качестве модифицирующих добавок для ПСФ, ПТФЭ и АБС использовали углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит» производства ООО «Нано-Тех-Центр», г. Тамбов; карбид и диборид титана производства СВС-технологии Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН, г. Черноголовка).

Приведены методики приготовления композиций, используемых в работе, особенности методик проведения исследований структуры, молекулярно-релаксационных и физико-механических свойств композиционных полимерных материалов. Представлены методы рентгеноструктурного анализа (РСА), ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), термомеханической спектроскопии (ТМС) и линейной дилатометрии, методики оценки прочностных свойств в условиях одноосного растяжения и срезывающих напряжений, методики снятия остаточных напряжений, теплостойкости в режиме изометрического нагрева, ударной вязкости, микротвердости, дифференциально-сканирующей калориметрии.

В третьей главе представлены результаты исследования кинетики уплотнения (рис. 1, 2) порошкообразного фторопласта-4 различных марок и композиций на его основе. Для исследования были выбраны 6 марок фторопласта: Ф-4, Ф-4Д, Ф-4М, «Форум», «Флуралит». Их выбор связан со стремлением исследовать уплотняемость самых разнообразных выпускаемых фторопластов, применяемых в промышленности.


Р

Пуансон

Рис. 1. Прессформа

для предварительного

прессования порошков



Р, МПа

t, c

3

1

4

2

5

6

Рис. 2. Зависимость давления от времени прессования для шести марок

порошкообразного фторопласта:

1 – отходы просушенные; 2 – Ф-4; 3 – Ф-4Д;

4 – Ф-4М; 5 – «Флуралит»; 6 – «Форум»




Важнейшая задача в теории и практике холодного прессования состоит в установлении зависимости между приложенным давлением Р и плотностью заготовки. Суть реологического подхода состоит в экспериментальном изучении кривых «напряжение–деформация» в режиме постоянства скорости деформирования (а не постоянства давления).

Выбор оптимальных условий прессуемости можно осуществлять на основе анализа реологической кривой «давление–деформация» (рис. 3),


2

6

5

3

4

1

Р, МПа






Р, МПа




I

II

III


Рис. 3. Зависимость давления

прессования от деформации для шести

марок порошкообразного фторопласта:

1 – отходы просушенные; 2 – Ф-4; 3 – Ф-4Д;

4 – Ф-4М; 5 – «Флуралит»; 6 – «Форум»

Рис. 4. Стадии деформирования порошковых материалов

для зависимости

«давление–деформация»
построенной на основании кривой «давление–время». Реологическая кривая позволяет определять реологические характеристики материала, например, модуль упругости при сжатии, выявляя механизм деформирования и находить оптимальные условия формуемости. Деформация рассчитывается (рис. 4) по формуле: ? = ?h/hнач, где hнач – начальная высота насыпного слоя; ?h – изменение высоты насыпного слоя с течением времени.

Четвертая глава посвящена исследованию устойчивости технологических режимов твердофазной экструзии фторопласта-4 и полисульфона. Опыты по твердофазной экструзии образцов проводились на экспериментальной установке типа капиллярного вискозиметра (рис. 8) с загрузочной камерой диаметром 0,005 м. В качестве заготовок использовались прутки полимера диаметром 0,005 м и длиной 0,015 м. Давление формования рассчитывалось как среднее арифметическое данных испытаний 4–5 образцов – заготовок со средней квадратичной ошибкой не более 5%. Температура испытаний Тэкс = 295 K.

Кинетические кривые зависимости давления от времени P (t) процесса твердофазной экструзии фторопласта-4 при комнатной температуре представлены на рис. 5. Эксперимент проводился для трех фильер различных диаметров dфил и степеней обжатия ?экс соответственно: а) ?экс = 1,73; dфил = 3,8 мм; б) ?экс = 4; dфил = 2,5 мм; в) ?экс = 5,17; dфил = 2,2 мм. Фотографии экструдированных (1, 2, 3) и исходного (4) образцов для анализа кинетических кривых представлены на рис. 6. Для максимального диаметра dmax,

Р, МПа

Р, МПа

Р, МПа

t, c


t, c

t, c

а)

б)


в)

Рис. 5. Зависимость давления от времени твердофазной экструзии

фторопласта-4 для различной степени деформации:

а – ?экс = 1,73; dфил = 3,8 мм; б – ?экс = 4; dфил = 2,5 мм; в – ?экс = 5,17; dфил = 2,2 мм









1)

2)

3)

4)

  1   2
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации