1611257144-526e7dac3a84d7436687b75ae618ccf2 ([2009] Ермилов - Теоретические основы процессов получения и переработки полимерных материалов)

Федеральное агентство по образованиюГосударственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Пермский государственный технический университет»А.С. ЕрмиловТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВПОЛУЧЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХМАТЕРИАЛОВКурс лекцийУтверждено Редакционно-издательскимсоветом университетаИздательствоПермского государственного технического университета20091УДК 678.7.02(078)ББК 35.71я7-2Е73Рецензенты:д-р техн.

наук, проф. Г.В. Куценко;д-р техн. наук, проф. В.А. ВальциферЕ73Ермилов, А.С.Теоретические основы процессов получения и переработкиполимерных материалов: курс лекций / А.С. Ермилов. – Пермь:Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 159 с.ISBN 978-5-398-00067-2Соответствует учебной программе подготовки дипломированного специалиста – инженера – по направлению «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий», в частности профилю «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив».Подробно рассмотрены физико-математические вопросы реологии растворов, расплавов и наполненных полимеров. Показано влияние молекулярных характеристик полимера, пластификатора, а также физико-химическоговзаимодействия на границе «наполнитель – полимерное связующее» на видкривой течения и величину коэффициента динамической вязкости потока.Освещены вопросы качества смешения, включая его критерий, при получении полимерных композиционных материалов, а также методы расчетагидродинамических параметров перемешивания.Изложены теоретические вопросы процессов переработки и полученияизделий основными способами: прессованием, экструзией, вальцеванием,литьем под давлением.Предназначен для студентов очной, заочной и вечерней форм обученияи может быть полезен аспирантам, преподавателям и инженерам, желающимознакомиться с началами теоретической реологии полимеров и композицийна их основе.УДК 678.7.02(078)ББК 35.71я7-2ISBN 978-5-398-00067-2© ГОУ ВПО«Пермский государственныйтехнический университет, 20092СОДЕРЖАНИЕВведение ............................................................................................

4Лекция IКомпоненты полимерных материалов. Процессысмешения и диспергирования .......................................................... 8Лекция IIФизические законы течения и реологическоеповедение полимерных материалов. Закон Бэлкли – Гершеля –Освальда де Виля ............................................................................ 19Лекция IIIЛаминарное течение полимерных материалов.............................

30Лекция IVТурбулентное течение полимерных материалов ......................... 40Лекция VТеплообмен при течении полимерных материалов ..................... 47Лекция VIВзаимосвязь реологических свойств и молекулярныххарактеристик полимерных материалов ....................................... 57Лекция VIIРеологические свойства наполненных полимеров ......................

65Лекция VIIIРасчет оптимального фракционного состава дисперсногонаполнителя..................................................................................... 81Лекция IXОсновы реологии некоторых видов формования изделий изполимерных материалов ................................................................ 92Лекция XРичард Фейнман о вязкости при течении водыкак жидкости .................................................................................

124Приложение................................................................................... 148Список литературы ....................................................................... 1583ВведениеУчебная специальная дисциплина «Теоретические основы процессов получения и переработки полимерных материалов» являетсякомпонентом подготовки дипломированного инженера по специальности «Химическая технология полимерных композиций, порохови твердых ракетных топлив».Освоение курса предусматривает, что студентами получены знания по фундаментальным и общепрофессиональным дисциплинам:«Математика», «Физика», «Механика», «Процессы и аппараты химической технологии».Кроме того, читатель должен быть знаком со специальным курсом – «Физика и химия полимеров».Цель авторских лекций – изложить студентам на физикоматематическом уровне основные закономерности, которые необходимо знать перед тем, как приступать к инженерной практике создания и промышленного производства новых полимерных материалови изделий на их основе.XXI век стартовал с ускорением применения полимерных композиций в современных отраслях мировой индустрии – ракетостроении, авиастроении, судостроении, автомобилестроении, строительстве зданий и сооружений.Особое место в этом комплексе занимает микроэлектроника.Получение волокон, литье под давлением, пневмо-вакуумформование, нанесение покрытий, переработка методом экструзии –процессы, которые требуют знания реологических свойств расплавов, растворов и наполненных полимеров, перерабатываемых в текучем состоянии.В 1928 году по инициативе профессора Эдварда Бингама в СШАбыло организовано Американское реологическое общество и в последующем основаны реологические журналы.

[J. Rheol. Acta;J. Trans. Soc. Rheol.]4С этого времени реология ( ρεο – течь; наука о течении) известнав мире как область физики, рассматривающая деформацию и течениежидковязких материалов. При этом, в случае полимеров, молекулыпоследних остаются в не «сшитом» поперечными химическими связями состоянии.Зависимость касательного напряжения от градиента скоростисдвига потока («кривая течения») и коэффициент динамической вязкости («вязкость») используются как при разработке нового аппарата, так и при создании соответствующего высокопроизводительноготехнологического процесса получения или переработки перспективного полимерного материала.

Это проблема инженерноконструкторской задачи: «Какими реологическими свойствами должен обладать полимерный композит?».Обычно гораздо труднее ответить на вопрос: «Как обеспечитьтребуемые технологические характеристики с помощью оптимальной рецептуры полимерного материала?». Это рецептурнотехнологическая задача.Поэтому курс лекций содержит также сведения о взаимосвязиреологических свойств и рецептурно-молекулярных характеристикполимерных материалов, включая наполненные твердыми ингредиентами.Уважаемый читатель, будущий инженер в области техническойхимии!Прежде, чем создавать промышленную технологию изготовления новых полимерных материалов, оглянись на окружающую природную среду.Система массового производства, массового потребления и массовой уборки отходов требует принципиального изменения.Фотографический коллаж демонстрирует второй смысл слова «переработка» в названии курса лекций.

Он заключается во вторичной переработке полимерных материалов с получением полезных для человека изделий. Японская фирма Negoro Sangyo Co. разработала технологический процесс изготовления спортивной одежды и офисной мебели изпластмассовых бутылок (рис. 1). Пластмасса – полиэтилентерефталат,известный в виде высокопрочных волокон как «лавсан».5Рис. 1Рис. 26На рис. 2 изображены зависимости касательного напряжения ( τ )от градиента скорости сдвига ( γ ) – рис. 2, а – и градиента скоростисдвига ( γ ) от касательного напряжения ( τ ) – рис.

2, б – для известных типов течения: 1 – ньютоновские жидкости; 2 – бингамовскиеили пластичные суспензии, пластилины, шламы; 3 – тиксотропныеили псевдопластичные пасты, полимеры; 4 – дилатантные или сверханомальные среды; 5 – псевдопластичные или вязкоупругие тела,полимерные материалы.Видно, что течение полимерных материалов как сплошных сред(расплавы, растворы и наполненные виды) подчиняется диапазонумежду типами 3 и 5.Совместное решение уравнения, описывающего зависимостьτ = f ( γ ) , и дифференциального уравнения движения вязкого потока позволяет рассчитать профиль скоростей течения в узле аппарата или технологической оснастке и производительность установки в целом.Используя законы сохранения неразрывности потока, количествадвижения и энергии с учетом теплопередачи в комбинации с реологическим уравнением, можно осуществлять необходимые инженерные расчеты технологических стадий формования изделий из полимерных материалов, например, методами литья под давлением илиэкструзии.Отличительной особенностью этого курса лекций является изложение сведений о влиянии дисперсного наполнителя на реологические свойства полимерного материала.

В сравнении со свободнымполимером или связующим, в случае формования изделий методомнамотки усиливающего волокна на технологическую оснастку, переработка наполненного полимера обычно оказывается гораздо сложнее из-за его высоковязкого состояния.Лекция IКомпоненты полимерных материалов.Процессы смешения и диспергированияВысокомолекулярные соединения (полимеры) включают два типа материала, отличающихся агрегатным состоянием в зависимостиот температуры, важнейшего технологического фактора.Термопласты – полимеры цепного или с короткими ответвлениями строения, например полиэтилен, полистирол, полиизобутилен.Их механические свойства обратимо зависят от температуры.