Разработка эффективной технологии сушки стеклонаполненных полиамидов

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

СУШКИ СТЕКЛОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИАМИДОВ

Специальность 05.17.06 –

Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

Панова Лидия Григорьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Решетов Вячеслав Александрович

доктор технических наук, профессор

Артеменко Александр Александрович

Ведущая организация ООО «ЭПО СИГНАЛ», г. Энгельс

Защита состоится « 15 » мая 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100, г.Энгельс, пл. Свободы, Технологический институт, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «14 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Совершенствование техники во всех отраслях промышленности тесно связано с широким применением синтетических материалов. Использование пластических масс, занимающих большое место в этой группе материалов, способствует решению целого ряда технических проблем: в машиностроении, 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.

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.

Одно 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 также необходимость в дополнительной электроизоляции.

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

Все это обеспечивается выдерживанием параметров литья, но не менее важна подготовка материала, в том числе - сушка.

В связи с этим разработка эффективных методов сушки является актуальной проблемой.

Цель работы: 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:

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.

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

Определить рациональные условия сушки стеклонаполненных полиамидов и выработать практические 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 применения для гранул с различными добавками (красители, стекловолокна, пластификаторы), расчеты занимают значительно меньше времени, для получения данных не требуется применение сложных и дорогостоящих приборов и приспособлений.

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

4. Установлено совместное влияние на процессы структурообразования 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, у 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 высоким комплексом свойств.

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

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

Материалы ПА 6-210-КС и ПА 6-211-ДС введены в конструкторскую и технологическую документацию изготовления авиационных батарей на предприятии ЗАО «ОЗ 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 «ОЗ НИИХИТ» (сушка, изготовление образцов и деталей для испытаний, измерение остаточной влажности), в высших учебных заведениях: СГУ и СГТУ (научное руководство, определение физико-механических и физико-химических свойств образцов).

Результаты работ обсуждены на конференциях:

1. V Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2005);

2. Восьмой ежегодной международной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (Киев, 2007); (2 доклада).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы: 2 статьи в журналах рекомендованных ВАК, 3 статьи в сборниках материалов конференций, 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка используемой литературы и приложений.

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.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования, научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор с анализом состояния проблемы переработки термопластов, приведена классификация применяемых методов сушки. Рассмотрены теоретические основы процессов диффузии и десорбции воды в полимерах, деструкции. Приведены характеристики используемого оборудования для сушки.

Во второй главе приведены характеристики исследуемых полимеров, методы их получения.

В третьей главе описаны методы, применяемые для исследования. Описан сорбционный метод определения коэффициентов диффузии.

Четвертая глава посвящена выбору эффективного метода сушки стеклонаполненных полиамидов, используемых в разных отраслях техники, в том числе в производстве различных деталей авиационных аккумуляторных батарей.

Полиамиды имеют гидрофильные (NH2 и СООН) группы, поэтому сорбируют влагу, что ухудшает качество изделий. В связи с этим полиамиды подвергают сушке.

Сушка применяется для удаления излишней влаги из термопластов непосредственно перед их переработкой. Переработка невысушенных полимеров, способных абсорбировать и удерживать влагу, приводит к получению бракованных деталей с разводами, серебристостью, пузырями и другими дефектами.

При выборе оптимального режима сушку проводили при температурах 80, 90 и 1000С. При выборе оптимального метода сушку осуществляли с применением конвективной, конвективно-лучевой и конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое.

В исследованиях использованы полиамиды марок ПА 6-210КС, ПА 6-211-ДС и ПА 610-КС. Полимерной матрицей в полиамидах марок ПА 6-210-КС и ПА 6-211-ДС служит ПА 6, содержащий 30+3% (масс.) стекловолокна. В полиамиде ПА 6-210-КС длина стекловолокна 3-5 мм, в марке ПА 6-211-ДС длина стекловолокна 5-7,5 мм. Полиамид марки ПА 610-КС состоит из полиамида ПА 610 и 30+3% (масс.) стекловолокна длиной 3-5 мм. Во всех полиамидах использовалось стекловолокно марки Е.

В целях совершенствования и интенсификации технологического процесса была разработана технология сушки материала в фонтанирующем слое при одновременном облучении ИК-лучами на установке модели ТИС. Использование повышенных температур до 1000С и инфракрасных лучей (107-7,9103 ) обеспечивало объемное и быстрое удаление остаточной влаги из обрабатываемых термопластов, находящихся в состоянии непрерывной циркуляции и фонтанирования.

На начальном этапе исследования определили относительную влажность полиамида ПА 6-210-КС, которая составила 0,9%.

Сушку проводили с использованием сушильного шкафа ТШ-903 и установки ТИС-50 (без режима и с режимом фонтанирования), рис.1.

Рис.1. Принцип работы установки ТИС-50

1 – бункер; 2 – радиатор; 3 – кожух бункера; 4 – напорная трубка; 5 – смотровое стекло бункера; 6 – эжектор; 7 – система воздухоподачи; 8 – узел выгрузки материала; 9 – крышка; 10 – воздуховод; 11 – инфракрасные излучатели; 12 – фильтр влагоотделитель; 13 – пневмотрубка; 14 – нагреватель и устройство очистки воздуха.

Материал загружали в аппараты и через определенные промежутки времени (1 час, 3 часа и т.д.) отбирались образцы гранул (5 г), для определения остаточной влажности.

Остаточная влажность в полимере является основным показателем эффективности сушки.

При появлении видимых следов деструкции (потемнение материала) сушку останавливали, а время фиксировали.

Зависимости остаточной влажности от времени сушки t для температур 80-1000С приведены на рис. 2-4

Рис.2. Зависимость остаточной влажности при 800С от времени сушки для методов:

1- конвективная сушка; 2 – конвективно-лучевая сушка;

3 – конвективно-лучевая сушка в фонтанирующем слое

Рис.3. Зависимость остаточной влажности при 900С от времени сушки для методов:

1- конвективная сушка;

2 – конвективно-лучевая сушка;

3 – конвективно-лучевая сушка в фонтанирующем слое

Рис.4. Зависимость остаточной влажности при 1000С от времени сушки для методов:

1- конвективная сушка;

2 – конвективно-лучевая сушка;

3 – конвективно-лучевая сушка в фонтанирующем слое

Наименьшая относительная влажность (0,06%) достигается при конвективно-лучевой сушке в режиме фонтанирующего слоя при температурах 1000С, за счет удаления сорбированной влаги как с поверхности, так и из объема гранул. Рациональным режимом сушки полиамида ПА 6-210-КС является конвективно-лучевая в фонтанирующем слое сушка при 1000С в течение 3-3,5 часов.

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

Была построена зависимость ln(1-t/0) от времени t, тангенс угла (tg), которой входит в формулу расчета коэффициента диффузии:

,

где D – коэффициент диффузии, м2/с;

l – путь, который проходит влага от центра гранулы до поверхности, м;

tg – угол наклона кривой зависимости ln(1- t/0) от времени t;

t – количество влаги в полиамиде в момент времени t, %;

0 – количество влаги в полиамиде в состоянии равновесия, %.

Для расчета коэффициента диффузии необходимо найти зависимость ln(1-t/0) от времени, позволяющую определить tg, по которому судят о скорости процесса. В литературе имеются данные по использованию этой зависимости для расчета скорости процесса сорбции влаги пленками, волокнами. В работе предлагается (и доказана дальнейшими исследованиями) возможность использования этого подхода для изучения процессов десорбции влаги при сушке гранул наполненного полиамида.

Гранула полиамида по форме представляет собой цилиндр с высотой h и радиусом r.

,

где r – радиус гранулы полиамида, м

h – высота гранулы, м

Диффузионный поток J определяют по формуле Фика.

Считая, что оптимальное время поток воды в грануле проходит путь l:

,

где J – диффузионный поток, моль/м2с;

СА – изменение концентрации воды за оптимальное время, моль/м3;

l – путь, который проходит влага от центра гранулы до поверхности, м.

Пример определения tg представлен на рис.5 для конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое при Т=1000С.

tg = 1,48

Рис.5. Зависимость -ln(1- t/0) от времени t для конвективной сушки

В результате расчетов были получены следующие значения коэффициентов диффузии (D) и диффузионного потока (J), табл. 1.

Таблица 1

Параметры диффузии влаги при сушке полиамида ПА 6-210-КС