Разработка эффективной технологии сушки стеклонаполненных полиамидов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Махов, Александр Николаевич

• Махов, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Махов, Александр Николаевич

Список сокращений

Введение

Актуальность исследования

Цели исследования

Задачи исследования

Научная новизна исследования

Практическая значимость исследования

Апробация результатов исследования

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Способы сушки полиамидов

1.2 Диффузия воды в полимерах

1.3 Свойства и особенности полиамидов

1.4 Получение стеклонаполненных полиамидов

1.5 Используемое оборудование

1.6 Термическая деструкция полиамидов

1.7 Физическая структура и состояния полимеров

1.8 Вывод

Глава 2. Объекты исследования 46 2.1 Основные характеристики некоторых стеклонаполненных полиамидов

Глава 3 Методы исследования

3.1 Метод определения содержания влаги

3.2 Определение прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве

3.3 Метод испытания на статистический изгиб

3.4 Метод измерения ударной вязкости по Шарпи

3.5 Сорбционный метод расчета коэффициентов диффузии

3.6 Метод определения кристалличности полимеров методом рентгеноструктурного анализа

3.7 Метод термогравиметрического анализа

Глава 4. Выбор эффективного метода сушки стеклонаполненных полиамидов

4.1 Выбор способа сушки стеклонаполненного полиамида ПА 6-210-КС

4.2 Влияние сушки на физико-механические характеристики полиамида ПА 6-210-КС

4.3 Термогравиметрический анализ свойств полиамида подвергнутого сушке различными методами

4.4 Определение методом рентгеноструктурного анализа степени кристалличности полиамида, подвергнутого сушке различными способами

4.5 Сушка полиамида ПА 6-211-ДС

4.6 Влияние сушки на физико-механические характеристики полиамида ПА 6-211 -ДС

4.7 Выбор способа сушки стеклонаполненного полиамида ПА610-КС

4.8 Влияние сушки на физико-механические характеристики полиамида ПА 610-КС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка эффективной технологии сушки стеклонаполненных полиамидов»

Совершенствование техники во всех отраслях хозяйства тесно связано с широким применением синтетических материалов. Использование пластических масс, занимающих большое место в этой группе материалов, способствует решению целого ряда технических проблем во многих отраслях промышленности: машиностроении и приборостроении, радио- и электротехнике, легкой промышленности и т.д. Без применения полимеров и полимерных композитов невозможно представить автомобиле- и приборостроение, мобильную связь, компьютеры, космическую и авиационную промышленность [1,2].

Изделия из пластмасс легче, чем из других материалов (так как плотность большинства полимеров меньше, чем у металлов и керамики). Они требуют меньше затрат на обслуживание при эксплуатации, имеют хороший товарный вид. Их обработка, окраска, отделка, металлизация менее трудоемки и энергоемки, чем у других материалов. Менее трудоемка, чем других материалов также переработка пластмасс в изделия. Полимеры и композиты - хорошие тепло- и электроизоляционные материалы, обладают рядом ценных радиотехнических свойств, высокой химической стойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам, в том числе при низких температурах.

Одним из направлений модифицирования существующих источников тока — переход с металлических частей корпуса батарей и аккумуляторов на пластмассовые. Преимущества - уменьшение веса батарей, повышенная стойкость к воздействию щелочи и воды, технологичность, экономичность, отпадает необходимость в дополнительной электроизоляции.

Однако к деталям предъявляются высокие требования по прочности на разрыв, изгиб, ударной вязкости. На них не допускаются трещины «серебра», вмятины, царапины, механические повреждения, а поверхность должна быть ровной, гладкой, без вздутий, пустот, раковин, холодных спаев, недоливов [3-6].

Для получения качественных деталей, наряду с правильностью технологии литья, важна подготовка материала — в том числе сушка[7].

Процесс сушки полимеров является процессом переноса вещества и характеризуется такими показателями как, коэффициент диффузии, диффузионный поток[8], оптимальное время сушки.

Работы по переработке полимеров проводились на предприятии "Опытный завод НИИХИТ" для производства аккумуляторных батарей, применяемых в авиационной технике.

Цель исследования

Разработать эффективную технологию сушки стеклонаполненных полиамидов, обеспечивающую комплекс физико-механических свойств необходимых для создания ответственных конструкционных изделий, в том числе деталей аккумуляторных батарей для авиации.

Задачи исследования

1. Рассчитать коэффициенты диффузии и диффузионный поток для стеклонаполненных полиамидов ПА 6-210-КС, ПА 6-211-ДС, ПА 610-КС при использовании различных методов сушки.

2. Исследовать влияние на физико-механические свойства материалов ПА 6-210-КС, ПА 6-211-ДС, ПА 610-КС различных методов сушки.

3. Определить рациональные условия сушки стеклонаполненных полиамидов и выработать рекомендации по применению установки конвективно-лучевой сушки ТИС-50.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Исследована кинетика сушки, что позволило рассчитать коэффициент и скорость диффузии для процесса десорбции влаги при повышенных температурах.

2. Разработана оригинальная методика расчета коэффициента диффузии и диффузионного потока, имеющая ряд преимуществ перед ранее использующимися: возможность применение для гранул с различными добавками (красители, стекловолокна, пластификаторы), расчеты занимают значительно меньшее время, для получения данных требуется применения сложных и дорогостоящих приборов и приспособлений.

3. Исследовано влияние температуры сушки на показатели десорбции влаги, коэффициент диффузии и диффузионный поток. Установлено возрастание коэффициента диффузии и скорости диффузии и уменьшение остаточной влажности с ростом температуры.

4. Установлено совместное влияние на процессы структурообра-зования полиамидов термического воздействия и инфракрасного излучения, приводящее к увеличению степени кристалличности полиамида и повышению термостойкости.

5. Доказана взаимосвязь сформировавшихся в процессе сушки структур полимера с деформационно-прочностными свойствами стеклонаполненных полиамидов. С увеличением степени кристалличности, например, для ПА 6-210-КС с 21 до 72% прочностные свойства возрастают на 10-25%.

Практическая значимость исследования

1. Разработана эффективная технология практического применения конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое для стеклонаполненных полиамидов, что позволяет снизить остаточную влажность до значений (<0,1 %), обеспечивающих получение композитов с более высоким комплексом свойств.

2. Разработан метод расчета диффузионного потока и коэффициента диффузии, обеспечивающий выбор оптимальных режимов сушки, и доказана возможность его применения для гранулированных материалов.

3. Работы по сушке проводились на предприятии «Опытный завод НИИХИТ» для производства аккумуляторных батарей, применяемых в авиационной технике и технология сушки планируется к внедрению на данном предприятии.

Материалы полиамид ПА 6-210-КС, ПА 6-211-ДС введены в конструкторскую и технологическую документацию изготовления авиационных батарей на предприятии ЗАО «Опытный завод НИИХИТ».

Апробация результатов исследования

Данная работа развивает ранее проведенные работы профессора д.т.н. Сударушкина Ю.К. по применению конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое для термопластичных полимеров.

Работы проводились на предприятии: ЗАО «Опытный завод НИИХИТ» (сушка, изготовление образцов и деталей, измерение остаточной влажности), в высших учебных заведениях: СГУ и СГТУ (научное руководство, измерение физико-механических и физико-химических свойств образцов).

Результаты работ обсуждены на конференциях:

1. На V Всероссийской конференции молодых ученых - Саратов,

2005.

2. На VIII ежегодной международной конференции - Киев, 2007 (2 доклада).

По материалам диссертации опубликованы: 2 статьи в журналах ВАК, 3 статьи в докладах на конференциях, 2 монография.

На защиту выносятся:

- новая технология сушки стеклонаполненных полимеров с применением конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое;

- новая методика расчета коэффициента диффузии и диффузионного потока для систем принудительной десорбции;

- результаты исследования влияния различных методов сушки на показатели десорбции влаги стеклонаполненных полиамидов;

- результаты исследования влияния различных методов сушки на структурирование, физико-механические и физико-химические характеристики стеклонаполненных полиамидов;

- практические рекомендации по применению установки конвективно-лучевой сушки ТИС-50.

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Махов, Александр Николаевич

выводы

1. Разработана новая эффективная технология сушки стеклонаполненных полиамидов — конвективно-лучевая сушка в режиме фонтанирующего слоя, обеспечивающая минимальную остаточную влажность в полимере и в результате этого высокий комплекс деформационно-прочностных свойств, позволяющих использовать данные полиамиды для изготовления деталей аккумуляторов авиационного назначения.

2. Впервые предложено использование расчета коэффициентов диффузии и диффузионного потока для процесса десорбции воды в результате термического воздействия на стеклонаполненные полиамиды ПА 6-210-КС, ПА 6-211-ДС, ПА-610-КС при использовании различных методов сушки (конвективная сушка, конвективно-лучевая и конвективно-лучевая сушка в фонтанирующем слое).

3. Установлено совместное влияние на процессы структурообразования термического воздействия и инфракрасного излучения. Степень кристалличности в полиамиде составляет 21%, в подвергнутом сушке возрастает от 40 до 72% соответственно, для конвективной и конвективно-лучевой в фонтанирующем слое.

4. Доказана взаимосвязь сформировавшихся в процессе сушки структур полиамида с деформационно-прочностными свойствами. Физико-механические свойства полиамидов увеличились: прочность при разрыве 8-19%), относительное удлинение при разрыве на 20-28%, разрушающее напряжение при изгибе на 10-18%, ударная вязкость на 20-26%.

5. Предложена новая методика расчета коэффициентов диффузии процесса десорбции воды из полимеров для разных методов и параметров сушки.

6. Определены оптимальные режимы сушки стеклонаполненных полиамидов при применении установки ТИС-50. Выданы практические рекомендации. Применение данной установки внедрено для изготовления полиамидных деталей аккумуляторов авиационных батарей.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Применение установки ТИС-50 позволяет проводить эффективную сушку стеклонаполненных полиамидов при производстве изделий и деталей из данных материалов.

2. Применение конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое позволяет уменьшить расход материала (возможное уменьшение доли брака и технологических потерь, вследствие более полной сушки) при последующей переработке.

3. Оптимальный режим сушки — температура 100°С, время сушки - 2-3 часа (большие время и температура могут приводить к термоокислительной деструкции).

4. Просушенный материал рекомендуется загружать в бункер литьевой машины в горячем состоянии. В случае невозможности немедленного использования материала, хранить его в установке для сушки при температуре 50-60°С без применения фонтанирующего слоя

5. Для исключения попадания следов металла в материал рекомендуется изготавливать бункер установки ТИС из нержавеющей стали (алюминий подвергается истиранию).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Махов, Александр Николаевич, 2009 год

1. Технология полимерных материалов: учеб. пособие / А.Ф. Николаев и др.. -СПб.: Профессия, 2008. -544с.

2. Яковлев, А.Д. Технология изготовления изделий из пластмасс /

3. A.Д. Яковлев. -М.: Химия, 1968. -304с.

4. Басов, Н.И. Оборудование для производства объемных изделий из термопластов / Н.И. Басов, B.C. Ким, В.К. Скуратов. -М.: Машиностроение, 1972. -272 с.

5. Технологический неразрушающий контроль пластмасс / А.И. Потапов и др.. -Л.: Химия, 1979. 288с.

6. ЛаМантиа, Ф. Вторичная переработка пластмасс / Ф. ЛаМантиа.- СПб.: Профессия, 2006. -400с.

7. Сударушкин, Ю.К. Определение остаточных внутренних напряжений в изделиях из полимеров и композитов: Учебное пособие / Ю.К. Сударушкин, А.В. Никонов, Ю.П. Гуляев.- Саратов: Изд-во СГУ, 2001. -48с.

8. Основы технологии переработки пластмасс / под. ред. В.Н. Кулезнева и

9. B.К. Гусева. -М.: Химия, 1995. -528с.

10. Методы ускоренного определения сорбционных характеристик стеклопластиков / В.И. Соколов и др.. // Пластические массы. -2004.- №12. -С.53-56.

11. Бортников, В.Г. Основы технологии переработки пластических масс / В.Г. Бортников.-Л.: Химия, 1983. -303с.

12. Рашковская, Н.Б. Сушка в химической промышленности / Н.Б. Раш-ковская.- Л.: Химия, 1977. -76с.

13. Сударушкин, Ю.К. Конвективно-лучевая сушка термопластов в фонтанирующем слое / Ю.К. Сударушкин, А.Б. Шиповская, Д.С. Романов, М.Ю. Соколов // Пластические массы.-2000. -№4.-С.35-38.

14. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химический технологии / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. -М.: Химия, 1968. -848с.

15. Сударушкин, Ю.К. Применение пластмасс в авиаприборостроении / Ю.К. Сударушкин, М.М. Гудимов // Авиационная промышленность.-1991. -№2. -С.29-34.

16. Термопласты конструкционного назначения / под ред. Е.Б. Тростян-ской. М.: Химия, 1975. -240с.

17. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. -М.: Высшая школа, 1967. -529с.

18. Сажин, Б.С. Основы техники сушки / Б.С. Сажин. -М.:Химия, 1984.-320с.

19. Кинетика сушки гранулята полибутилентерефталата и полиэтиленте-рефталата /В.В. Лапковский и др. // Химические волокна. 2006. -№1. -С.7-10.

20. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. / Ю.И. Дыртнерский Ю.И.-М.: Химия, 1995. -368с.

21. Drying units for modern process technology / Pinks W., Damm E. // Chem. Tecgn. .-1992. -№ 4 . -C. 82, 84, 89. Нем.

22. Литье термопластов с применением ультразвука Ю.К. Сударушкин и др. // Прикладная химия.- 2000. -Т.73. -вып.8. -С. 1366-1371.

23. Mathematical and experimental modeling of heat pump assisted microwave drying / Jia Xiguo // Drying Technol. -1993. -№ 4. -C. 851-854 .- Англ.

24. Сравнительный анализ кинетики сушки дисперсных полимеров с использованием математических моделей / М.В. Ступа и др. // Химические волокна. -2004. -№1. -С.68-70.

25. Сударушкин, Ю.К. Прогрессивная технология и оборудование для литья термопластов / Ю.К. Сударушкин // Радиопромышленность. -1990. Вып. 8. -С.38-41.

26. Zentrale Trocknung technischer Termoplaste fur hochwertige Spritgiesteile / Kornmayer Horst // Plastverarbeiter .- 1993. -№ 6. -C. 94-96, 98 .- Нем.

27. Рейнольде, А. Турбулентные течения в инженерных приложениях. / А. Рейнольде. -М.гЭнергия, 1979. -408с.

28. Kontinuierlich entfeuchtete Lift trocknet Kunststoffe / Roben K.W. // Kunststoffe . -1994. -№ 7. -C. 858-861. Нем.

29. Untersuchungen zur Gultingkeit des Trocknungsspiegelmodells / Schulz Hans-Hartwing, Zahorszki Frank, Brandauer Elgar // Chem. Tecgn. -1993. -№ 4. -c. 202-207. Нем.

30. Heat transfer in sponted beds / Freitas L. A. P., Freize J.T. // Drying Tech-nol. 1993. -№ 2. -C.303-317. - Англ.

31. Роуленд, С. Вода в полимерах / под ред. С. Роуленда. -М.: Мир, 1984. -560с.

32. Калинчев, Э.Л Свойства и переработка термопластов: Справочное пособие / Э.Л. Калинчев, М.Б. Саковцева. Л.: Химия, 1983. -288с.

33. Основы технологии переработки пластмасс. / С.В. Власов и др.. -М.: Химия, 1995. -528с.

34. Сударушкин, Ю.К. Технологии и оборудование для изготовления изделий из пластмасс и резин / Ю.К. Сударушкин и др. // Пластические массы. -1999. -№4. -С.39-43.

35. Сударушкин, Ю.К. Технология и оборудование для изготовления деталей из термопластов / Ю.К. Сударушкин // Авиационная промышленность. -1993. -№5-6. -С.43-46.

36. Плановский, А.Н. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности / А.Н. Плановский В.И. Муштаев, В.М.Ульянов. -М.: Химия, 1979. -164с.

37. Drying of polymer pellets / Ruf A., Steiner U.B., Culbert B.F. // Int. Fiber. J. 1994. -№2. -C. 46, 48. - Англ.

38. Drying of poly(ethylene terephthalate) for fiber spinning: rationale, methods and technical aspects // Fiber. J. 1994. -№2. -C. 24, 26, 29, 30, 32.- Англ.

39. Stress induced defect formation during drying of viscoelastic materials / Christodolou K. N., Lightfoot E.I. // Amer. Inst. Chem. Eng. Spring Nat. Meet., New Orleans, La, March 29 29 Apr. 2. 1992 : Extend. Abstr. 1992. -C.79. - Англ.

40. Исследование кинетики десорбции лекарственного препарата из полиамидных комплексных нитей / А.В. Генис и др. // Пластические массы. -2005. -№2. -С.46-52.

41. Einflus der Produkteigenschaften auf die Trockung / Liedy Werner // Chem. -Ing. Techn. -1993. -№2. -C. 167-168, 170-173.- Нем.

42. Оборудование для переработки пластмасс / под ред. В.К. Завгороднего. -М.: Машиностроение, 1976. -407 с.

43. Завгородний, В.К. Оборудование предприятий по переработке пластмасс / В.К. Завгородний, Э.Л. Калинчев, В.Г. Махаранский. -Д.: Химия, 1972. -85с.

44. Сударушкин, Ю.К. Высокопроизводительное оборудование для изготовления деталей их термопластов / Ю.К. Сударушкин // Пластические массы. -1992. -№1. -С.43-45.

45. Сударушкин, Ю.К. Прогрессивная технология и оборудование для литья термопластов / Ю.К. Сударушкин // Обмен производственно-техническим опытом. -1990.- вып.8.- С.38-41.

46. Drying polyester chips / Karasiak Wolf// Int.Fiber. J. -1994. -№2. -C. 36, 38, 40, 42, 44. Англ.

47. Пат. 1250800 РФ. Сушилка для термопластичных материалов / Т.В. Громова, Ю.К. Сударушкин, С.И. Усакин Опубл. В бюл. №30. 1994.

48. Пат. 2094717 РФ. Сушилка для термопластичных материалов / Ю.К. Сударушкин, Т.В. Громова Опубл. В бюл. №30. 1997.

49. Пат. 2128813 РФ. Сушилка для сыпучих материалов / Ю.К. Сударушкин, С.И. Усакин, М.Ю. Соколов, А.Б. Шиповская Опубл. В бюл. №10. 1999.

50. Сударушкин, Ю.К. Прогрессивная технология сушки полиамидов, поликарбонатов и полисульфонов / Ю.К. Сударушкин // Сб. Радиопромышленность. -1992. -№4. -С.28-32.

51. Effects of high frequency electromagnetic field on heat sensitive media. II. Drying kinetics and simulation / Zagrouba F., Roques M. A., Szentmarjay Т., Szalay A. // Hung. J. Ind. Chem. -1993. -№2. -C. 149-158. Англ.

52. Сударушкин, Ю.К. Методология создания полимерных материалов с заданными свойствами: Учебное пособие / Ю.К. Сударушкин, А.В. Никонов, А.Б. Шиповская. -Саратов: Изд-во СГУ, 1998. -58с.

53. Вундерлих, В. Физика макромолекул / В. Вундерлих. -М.: Мир, 1979. -574с.

54. Чалых, А.Е. Диффузия в полимерных системах / А.Е. Чалых. -М.: Химия, 1987. -312с.

55. Малкин, А.Я. Диффузия и вязкость полимеров: Методы измерения / А.Я. Малкин, А.Е. Чалых. М.: Химия, 1979. -304с.

56. Николаев, Н.И. Диффузия в мембранах / Н.И. Николаев. -М.: Химия, 1980. -232с.

57. Райченко, А.И. Математическая теория диффузии в приложениях / А.И. Райченко.- Киев: Наук. Думка, 1981.- 396с.

58. Шиповская, А.Б. Реология полимерных систем: Учебное пособие / А.Б. Шиповская, В.И. Кленин, Ю.К. Сударушкин.- Саратов.: Изд-во СГУ, 1999. -64 с.

59. Саттерфилд, Ч.Н. Массопередача в гетерогенном катализе. / Ч.Н. Сат-терфилд. -М.: Химия, 1976. -240с.

60. Берд, Р. Явления переноса / Р. Берд, В. Стюарт, Е. Лайтфут. М.: Химия, 1974. -687с.

61. Хазе, Р Термодинамика необратимых процессов / Р. Хазе. -М.: Мир, 1967. -408с.

62. Бэррер, Р Диффузия в твердых телах. / Бэррер Р. -М.: Иностранная литература, 1948. -540с.

63. Чалых, А.Е. Диффузия мономеров в полимерах / А.Е. Чалых // Высокомолекулярные соединения. -1975. -№136. —С.215-219.

64. Кленин, В.И. Термодинамика систем с гибкоцепными полимерами /

65. B.И. Клейн. -Саратов: Изд-ва Сарат. ун-та, 1995. -736с.

66. Астарита, А. Массоперенос с химической реакцией / А. Астарита. -М.: Химия, 1971. -224с.

67. Заиков, Г.Е. Диффузия электролитов в полимерах / Г.Е. Заиков, A.JI. Иорданский, В.А. Маркин.-М.: Химия, 1984. -210с.

68. Васенин P.M. К проблеме движущихся границ при диффузии в системах полимер-растворитель / P.M. Васенин, А.Е. Чалых, В.И. Коробко // Высокомолекулярные соединения, 1965. -Т.7. -№4. -С.593-600.

69. Туницкий, Н.Н. Методы физико-химической кинетики / Н.Н. Туниц-кий, В.А. Каминский, С.Ф.Тимашов. -М.: Химия, 1972. -212с.

70. Исследование давления набухания пространственных полимеров / Л.И. Сурдутович и др. // Высокомолекулярные соединения, 1971, -Т. 13, -№2, -С.324-330.

71. Галактионов, С.Г. Диффузия в сложных молекулярных структурах /

72. C.Г. Галактионов, Г.В. Никифорович, Т.Д. Перельман. -Минск: Наука и техника, 1974. -240с.

73. Золотарев, П.П. Об уравнениях, описывающих внутреннюю диффузию в гранулах сорбента / П.П. Золотарев, М.М. Дубинин // ДАН СССР, 1973, -№1, -С.136-139.

74. Дубинин, М.М. Исследования в области сорбции газов и паров углеродистыми сорбентами / М.М. Дубинин.-М.: Изд-во АН СССР, 1956. -100с.

75. Заборенко, К.Б. Применение эманационного метода для изучения продуктов радиационно термической модификации полиэтилена / К.Б. Заборенко, И.Н. Бекман // Радиохимия. -1968, -Т. 10 -С.382-385.

76. Заборенко, К.Б. Комплексный эманационно-термический метод / К.Б. Заборенко, Л.Л. Мелихов, В.А. Портенов // Радиохимия. -1965, -Т.7, -№3, -С.319-324.73.