Кіріспе. Мұнай мен оның әлемдік экономикадағы ролі. Органикалық заттардың өнеркәсібінің негізгі бағыттары

Жоғарыда көрсетілген теңдік (11) арқылы көлемді ағымның (немесе көлемді өнімнің) мөлшерін табуға болады:

Осы теңдіктегі белгілерді шнектің параметрлері арқылы көрсетсек, пайдалануға жеңіл, көлемді өнімнің мөлшерін табатын теңдік шығады:

N – шнектің айналу саны; r – тұтқырлық.

Жалпы көлемді өнімнің мөлшері мынадай:

Q = Q_e – Q - Q_k - Q_а

Жоғарыдағы формулалардың ішінде қысымның айырмашылығы дифференциалды түрде берілген, бұл күнделікті есептеуге қолайсыз. Ал формулалардағы тұрақты мәндерді мына түрде белгілесек:

Көлемді өнімді былай пайдалансақ болады:

Әрине, бұл формула машинада өтетін әрекеттер үшін жарамсыз болғанымен, экструзия үшін маңызы зор.

3. Қалыптау құралына толық еріген және біртекті массаға айналған полимерлер түседі. Құрал мен берілген полимердің температурасы әр түрлі болғандықтан, оңның тұтқырлығы және ағу бвғвтв өзгереді. Осыны ескере отырап, құралдан өтетін полимердің көлемі шнекпен берілетін көлемге тең деп есептеп, машинаның өнім шығару мөлшерін мына теңдікпен белгілеуге болады.

(16)

Бұл жерде: К – құралдың полимер ағуына қарсылық білдіретін константасы:

Р – шнектегі соңғы қысымы;

r – тұтқырлықтың орта мәні.

D_ор – сақина тәрізді теміктің, құбыр шығаруға арналған орташа диаметрі; S – тесіктің мөлшері; l – қалып беретін құралдың ұзындығы; b – саңылаудың кеңдігі.

Бұл формулалар құрал алдына тор қойылмаған кезде ғана дұрыс келеді. Ал тор қойылған жағдайда қосымша коэффициент қосу керек:

К = К_тор + К_құрам

1. 
   Экструзия процесі туралы мәлімет. Экструдердің негізгі қызметі қандай?
   
2. 
   Полимердің шнек пен цилиндрдің арасындағы қозғалысы қалай жүзеге асады?
   
3. 
   Полимердің қалыпқа өтуі қалай жүзеге асады?
   

№13 Тәжірибелік сабақ. Экструзия әрекетінің жылу балансы. Экструзия әрекетінің жалпы заңдары.

1. 
   Экструзия әрекетінің жылу балансын құру.
   
2. 
   Экструзия әрекетінің жалпы заңдары.
   

Машина ішіндегі полимер сырттан берілетін (Е_ж) және шнек айналған кездегі қажаудан шығатын диссипативті жылу (Е_ш) арқылы қыздырылады.

Артық жылу машинадан шығатын полимермен (Е_м) және суытуға берілетін сумен (Е_с) машинаның айналасындағы ауамен (Е_а) шығарылады. Қорыта келгенде, бұл әрекеттің балансы мына теңдікпен өрнектеледі:

Е_ж + Е_ш = Е_м + Е_с + Е_а (1)

Осы теңдеудегі әр шаманың мәндерін де анықтауға болады. Сырттан жылытуға берілетін энергияның көлемі амперметр арқылы өлшенеді. Полимерге жұмсалатын жылуды мына формула арқылы есептейміз:

Е_н = Q·c(T_a - T_δ) (2)

Бұл жерде: - машинаның өнім қуаты; С – полимердің жылу сиымдылыға; T_a, T_δ – полимердің бастапқы және машинадан шығар кезіндегі температурасы.

Осындай жолмен салқындататын сумен кететін жылуды есептеуге болады.

Машинаның айналасындағы ауаға кететін жылуды есептеп алу өте қиын (Е_a).

Шнек арқылы келетін жылу (Е_ш) мынадай:φδ

бұл жерде: 1 – машина ішіндегі полимерді қозғалтуға жұмсалатын жұмыс қуаты; 2 – полимердің қозғалысқа қарсы күшінің қүаты; 3 – шнек пен цилиндр арасындағы саңылау арқылы қайта өтетін полимерге жұмсалатын қуат. (Қалған шамалардың мәндері 75 пен 78-формулаларда көрсетілген)

Жоғарыда көрсетілген теңдік арқылы мынадай қорытынды жасауға болады: шнектің аналымы көбейген сайын, жұмысқа пайдаланылатын қуат та пропорционалды көбейеді, ойықтың еңкею бұрышы (φ) азайған сайын, полимердің қызуы артады.

Формуланың екінші құрам бөлігінің мөлшері аз болса да, технологияда көп пайдаланылады. Бұл құрам бөліктің мөлшерін көбейту үшін сүзетін тордың санын көбейтеді.

Машинадан шығарылатвн өнім неғұрлым аз болса, сапасы соғұрлым жақсы блады.

Машинаның айналадағы ауаға кететін жылуын азайтудың жолы цилиндрдің сыртын қаптайды. Экструзия барысының тұрақтылығы – машинаның толық қыздырылып, барлық жағдайда температура бір қалыпты болуына байланысты. Осы жағдайдың белгісі - машинаға берілетін қуаттың бір қалыпты болуы. Экструзияның жылдамдығының өзгеріссіздігі де жақсы көрсеткіш.

2. Экструзия әрекетіндегі (P) қысым мен (Q) өнім арасындағы байланыстарды анықтайтын мәліметтер машинаның тиімді жұмыс істеу параметрлерін білуге өте қажет. Полимердің әр түрлі температурадағы тұтқырлығы және олардың реологиялық қасиеттері анық болса, жоғарыдағы айтылған байланыстарды айтуға болады. Бұл диаграмма әр түрлі қалып беретін құрал мен шнектердің байланысы арқылы, пайда болатын қысым (P) мен өнімнің (Q) мөлшерін көрсетеді.

Бұрын қаралған (1) формуланың

1. 
   Полимердің ағуына аз күш жұмсайтын құрал; 2- полимердің ағуына көп күш жұмсайтын құрал; 3- терең ойықты шнек; 4- таяз ойықты шнек;
   

P=0 болғанда, Q_max = 1/2π²D²NhsinP₁cosφ (4)

Онда теңдік мына түрге ауысады:

Осы шамалардың қатынасы жоғары болса, диаграммадағы түзу тік болып шығады.

Дозалау мөлшеріндегі шнек ойықтығының тереңдігі машинаның өнім беруіне шешуші әсер етеді. Ал шнектің ұзындығы артса, түзулер көлбеу түсе бастайды, яғни қысымның тұрақты сақталуына мүмкіндік болады.

Диаграмманың негізгі қажеттілігі – экструзия әрекетінің өнімге шнек пен қалып беретін құралдың біріккен жұмыс тәртібін белгілеу. Ағуа аз қарсылық білдіретін, қалып беретін құралдың (1-сызық) шнекпен өнімді жұмыс істейтін нүктелері:

А – ойықтары терең шнек; А' – ойықтары таяз шнек.

Ағуға көп қарсылық білдіретін қалыптайтын құралдың (2-сызық) мұндай нүктелері: Б' – ойықтары таяз шнек; Б - ойықтары терең шнек. Жалпы қалып беретін құралдың ағуға қарсы күші көп болса, түзу сызық аласа болады, ал ағуға қарсы күші аз болса түзу биіктеу болады.

Диаграмманы сызған кезде шнектің айналу санын (N) және полимердің жабысқақтығын (r) өзгермейді деп есептедік. Шын мәнінде бұл қосындылар да өзгеріп құрады. Сонда диаграммада нүктелердің саны көбейіп, олар белгілі алаңдар болып көрінеді. Осы алаңдардың көлемін нүкьеге дейін қысқартып әрекеттің ішкі резервтерін пайдалануға тырысу керек. Бұл шараларды іске асыру үлкен технологиялық мәдениет болып есептеледі.

Бір ескеретін жағдай, өз еркімен экструзия әрекетінің жылдамдығын өзгерту, алынып отырған бұйымның өлшеміне және сапасына зиянын тигізеді. Бұл әсіресе сұйық полимерлерді өндегенде және қысқа шнекті машиналармен оның салқындауын күшейткенде, сондай-ақ машинаға берілген полимердің өлшемсіз болып келуінде кездеседі. Екеуін айыра білу керек. Бұл кемшіліктерден құтылудың жолдары – алынып отырған бұйымды қосыаша тарту немесе шнектің аяғында дозалау насосын қою.

1-экструдер; 2 - қалыптайтын құрал; 3- калибрлейтін құрал; 4-5 – бірінші және екінші салқындатқыш аймақтар; 6- құбыр; 7 – өлшейтін және маркасын белгілейтін құрал; 8- тартқыш құрал; 9- кесетін құрал; 10- қабылдайтын (жинақтайтын) құрал.

Жалпы экструзиялы құралдардың өнімділігін білу үшін эмпериялық теңдік пайдаланылады:

Q = 60a·N·U·γ (кг/сар) (8)

Бұл жерде: а - шнектің толықтыру коэффициенті;

N – шнектің айналу саны;

U – шнектің тиеу аймағындағы бір ойығының көлемі;

γ – үйілген полимердің салмағы.

1. 
   Экструзия процестері туралы жалпылама мәліметтер.
   
2. 
   Экструзия әрекетінің жылу балансын құру қалай жүзеге асады?
   
3. 
   Экструзия арқылы құбыр шығаратын агрегаттың көрінісі қандай?
   

№14 Тәжірибелік сабақ. Полимерлерді қысым арқылы құю әдісімен бұйым шығару. Термореактивті пресс-материалдан бұйым шығару.

1. Термореактивті пресс-материалдан бұйым шығару.

2. Престеудің технологиялық шамаларын есептеу.

3. Компрессионды престеудегі материалдың қатаю мерзімі.

4. Престеп құюдың меншікті қысымы

5. Пресс-қалыпқа тиелетін материалдың мөлшері.

1. Термореактивті пресс-материалдардан бұйымдарды компрессиялық қысымның көмегімен және құю арқылы престеумен немесе қысым арқылы құюмен шығарылады. Престің негізі – жылу әсерінен материалдың иілімді деформацияланып, берілген қысымның нәтижесінде химиялвық қатаю реакциясына түсіп, қажетті пішінге келуі.

Байланыстырушы ретінде фенолформальдегидтиер, моламинформалдьдегидтер, мочевинаформальдегидтер, полиэфирлер және эпоксидпил олигомерлер пайдаланылады.

Пресс-материалдың құрамында 40-70%- ға дейін толықтырушылар және 30-40% байланыстырушылар, сондай-ақ қатайтушылар, бояулар тағы басқа заттар болады. Престеген кезде қысымның мөлшерін азайту үшін, тұтқырлығын азайту керек. Ол үшін пресс-материалдың температурасын жоғарлатады. Бірақ, бұл кезде байланыстырушы материалдың мүлдем аз уақыт қана сұйық күйде болады да тез қатайып қалыпқа толық түсіп үлгермейді. Соның нәтижесінде бұйымның керекті пішіні бұзылады.

Престердің негізгі технологиялық шамалары – алдын-ала қыздырудың уақыты мен температурасы, престеудің температурасы, қатаю мерзімі және меншікті қысым.

Технологиялық шамалар анықтамалардан алынады немесе шығарылатын бұйымның технологиялық өзгешелігіне қарай есептеледі.

бұл жерде: Н₁ және Н₂ – пуансонның престелмеген және престелген кезіндегі төмен түсу биіктігі; U₁ және U₂- плитаның престелмеген және престелген кездегі төмен түсу жылдамдығы; t_T- материалды пресс-қалыпқа тиеу мерзімі.

Температуралардың мөлшерін жалпы материалдардың маркасына қарап төменде келтірілген кестеден алуға болады.

4-кесте. Пресс-материалдарды компрессионды престеу және престеп құюдың технологиялық тәртібі.

Пресс-материалдың маркасы	Алдын-ала жылыту температура сы	Престеудің температурасы			Меншікті қысым
		жылыт пағанда	жылыт қанда	престеп құю кезінде	прес теу	прес теп құю
01.04.02 03.010.02	130-170	155-5	185-5	185	25-35	40-80
К 114 35	165	185	170	-	25-35	60-80
Аминопласт	90-100	155-5	160-5	165	25-35	50-80
КФ.10	150	-	145-5	150-5	30	50
АГ	120-130	145-5	150-5	150	30	70-100
КФ-3	110-130	175-5	180-5	180	40-50	100

3. Қалыпқа тиейтін материалдың температурасы қалыптың температурасына қарағанда айырмашылығы көп болған соң, жалпы материалдың қатаю мерзімін екіге бөлуге болады: материалдың қатаю температурасына дейінгі қызу мерзімі (t_a) және поликонденсация реакциясының өту мерзімі (t_қ). Осы екі мерзімді білу үшін екі теңдікті шешуіміз қажет.

Материалдың қатаю температурасына дейінгі қызу мерзімін табу үшін стационарлы емес жылу өткізгіш теңдігі пайдаланылады.

бұл жерде: F_o- Фурьенің критериі;

a - жылу өткізгіштігі;

δ - бұйымның ең жіңішке жерінің мөлшері.

Ал поликонденсация реакциясының өту мерзімі мына теңдікпен табылады:

(2)

бұл жерде: T_Bh – Канавецтің пластометріндегі қатаю мерзімі (80-140 секунд); - пластометрдің қатаю температурасына дейінгі қызу мерзімі (15-20 секунд); β - тұрақты коэффициент (мөлшері 0,02-0,03-ке дейін); Т_n- пластометрдің температурасы (170^оС); Т_ф – қалыптың температурасы.

Айта кететін жағдай, бұл есептеу әдісі қатаю мерзімін пресс-материалдың маркасына байланысты Канавецтің пластометрінде нақты зерттеуді қажет етеді (МемСТ 15882-70 пайдаланып). Себебі, кейбір авторлардың мәліметіне қарағанда T_Bh мөлшерінің біраз айырмашылығы бар. Материалды престеудің алдында қатаю температурасына жақын деңгейіне дейін қыздырғанда (Т_тиеу≈Т_ф -15 ^оС t_a)-ны есептеудің қажеті жоқ.

4. Бұл қысымды литниктерге жұмсалатын және пішін беретін қалыптағы қажетті қысымды қосып табады:

(3)

Бұл жерде: Рк – компрессионды престеудің қысымына тең, қалыптағы меншікті қысым 25-50 МПа.

Есептеп табылған Р_м жоғарыда көрсетілген t_қ сияқты қосымша әр бұйымға арналған материалға зерттеуді қажет етеді.

5. Бұл мөлшер пайдаланылатын материалдың түріне, ағымына және бұйымның салмағына байланысты. Компрессионды престегенде тиелген материалдың мөлшері шығарылатын бұйымның салмағынан 1,05 есе көп болу керек және қалыптың ұясын есептеген жөн. Престеп құйған кезде жоғарыда көрсетілген жағдайларға қосымша литниктердің әсерін және қылаудың салмағын ескеру қажет.

1. 
   Термореактивті пресс-материалдан бұйым шығару процесі қалай жүзеге асады?
   
2. 
   Престеудің технологиялық шамаларын есептеу жолдарын таратып айтып беріңіз.
   

№15 Тәжірибелік сабақ. Технологиялық параметрлердің шығарылатын бұйым сапасына әсері. Қысым арқылы құю процесінің параметрлерін есептеп шығару.

1. 
   Қысым арқылы құйып шығаратын бұйымның қасиеттеріне әсер ететін параметрлер.
   
2. 
   Еріген полимердің температурасы.
   
3. 
   Қалыптың температурасы.
   
4. 
   Қысым беру мерзімі.
   
5. 
   Бұйымды салқындату мерзімі.
   
6. 
   Меншікті қысымның мөлшері.
   

1.Қысым арқылы құйып шығаратын бұйымның қаттылығына, керілгіштігіне, шөгуіне және басқа да қасиеттеріне әсер ететін параметрлер – қысым, полимердің және қалыптың температурасы, қысым беру мерзімі, полимерді қалыпқа енгізу жылдамдығы. Кристалдық немесе аморфты полимерлерден құйылатын бұйымдарға технологиялық параметрлердің тигізетін әсері әртүрлі. Аморфты полимерлердің керілгіштігі температура көтерілген сайын өседі, бірақ ең жоғары дәрежесіне жеткенде қайтадан төмендей бастайды. Бұл жағдай молекулалардың қалыпты толтырған кездегі бағытталу дәрежесіне байланысты болады.

Қысымның әсері температураның әсерімен бірдей болады. Ең жоғарғы қысымның көрсеткіштері 400 МПа-ға жеткен кезде байқалады. Бұл жағдай кристалданатын полимерлерге – полиэтиленге, полипропиленге тән.

Еріген полимердің және қалыптың температурасы бұйымның қысым берілетін бағытындағы немесе көлденең бағыттағы қасиеттерінің айырмашылығына әсер етеді. Бұл температуралар неғұрлым жоғары болса, соғұрлым айырмашылық аз болады. Әсіресе осы жағдай қысым беру уақытына байланысты. Литниктердің көлемі үлкен болса полимерді қалыпқа енгізу ұзаққа созылып, салқындату қысымның әсерінен жүзеге асады, соның салдарынан релаксация өтуі қиындап, макромолекулалардың бағытталуы ұлғая түседі.

Қалыптың ішіндегі қысым жоғары болса, еріген полимердің тығыздығы да жоғарылайды. Бұл сәтте полимердің шөгуі де салқындаған сайын азая түседі. Қабырғаларының қалыңдығы әр түрлі бұйымға бірдей қысым берілгенде полимердің орта температурасы қабырғаның қалыңдығына екі есе пропорционал болу қажет, яғни қабырғаның қалыңдығы өскен сайын бұйымның шөгуі де өсе түседі.

Процестің параметрлері бір-біріне байланысты болғандықтан, оларды белгілі тізбекпен есептеп шығарған жөн.

Т₁- полимердің ағуын белгілейтін темературасы, К; Е_υ- тұтқырлы ағымның активті қуаты; Дж/моль R – газ тұрақтысы τ₁ және τ_υ- полимердің белгілі температурадағы және аққан кездегі жылжу қысымы.

3. Бұл параметр салқындатудың жылдамдығын және бұйымның соңғы температурасын көрсетеді. Оған қосымша полимерлердің кристалдану жағдайын және соған сәйкес бұйымдардың қасиеттерін белгілейді. Қалыптың температурасын анықтамадан алуға болады. Соңғы кезде бұйымның қаттылығын қамтамасыз ету үшін мына теңдік көп пайдаланылады:

(2)

4. Бұл параметрдің мөлшерін есептеп шығаратын теңдікке қосымша коэффициент енгізіледі. Себебі, литникке жылу өткізу процесі тұрақсыз және полимердің қалыпқа түсу жылдамдығының өзгерісіне байланысты болады. Коэффициенттің мөлшерін мына теңдікпен табуға болады:

бұл жерде: DV - қысым беру кезіндегі полимердің көлемі; V_л - қалыпқа полимерді өткізетін литниктің көлемі; φ- литниктің түрін ескеретін коэффициент (жалпы 1-2 арасында).

бұл жерде: r- литниктің радиусы; а – температура өткізгіштің коэффициенті; Тп – қосылған полимердің температурасы; Та – аққан полимердің температурасы.

бұл жерде:δ - бұйым қабырғасының қалыңдығы.

5. Еріген полимердің салқындауы қалыпқа түскеннен басталып, бұйым қажетті конструкциялық беріктікке ие болғанға дейін жүргізіледі. Осы мерзімді белгілеу үшін бұйымның пішінін, көлемін және полимер мен қалыптың температурасын ескерген жөн.

Есеп стационарлы емес жылу өткізетін теңдікпен шығарылады. Бұйымның түріне қарай алынатын теңдіктер төменде көрсетілген болып келеді.

Жоғарыда көрсетілген теңдіктердің орнына Фурьенің критериін пайдаланып, салқындату мерзімін мына теңдікпен табуға болады:

6. Қысым арқылы құю кезінде қысымның мөлшері полимер өтетін жүйелерге аз келеді, себебі цилиндрден сопло арқылы литникке, литник арқылы қалыпқа өткенде және формадағы полимерге қысым берген кезде оның мөлшері кездесетін кедергілерге жұмсалатындықтан азаяды. Көптеген математикалық өзгерістерді есептеп шығарған соң, қорытынды теңдік мынадай түрде болады: