Критерии эффективности и оценка качества смешения

О.Б. УШАКОВА

 

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СМЕШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Учебно-методическое пособие

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология» профиль «Технология

И переработка полимеров» и направлению подготовки 18.04.01 «Химическая технология», магистерская программа «Химическая технология переработки пластмасс и композиционных материалов»

 

Москва МИТХТ 2016

УДК 678.6: 678.05

ББК 35.71

У 93

 

Утверждено редакционно-издательским советом МИТХТ в качестве учебного пособия для студентов

Подготовлено на кафедре химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов

 

Рецензенты: к.т.н. проф. Люсова Л.Р. и

к.т.н. доц. Чалая Н.М.

 

 

Ушакова О.Б.

 

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СМЕШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

 

 

Учебно-методическое пособие

 

М.: МТУ, 2016. – 42 с.

 

ISBN 978-5-7339- © Ушакова О.Б., 2016

© МИТХТ, 2016

Введение

 

Смешение – это процесс, уменьшающий композицион-ную неоднородность системы.

Смешению подвергаются разные системы. В переработ-ке пластмасс наибольшее значение имеет смешение твердо-го порошкообразного вещества с вязкой жидкостью (распла-вом полимера или пластификатором) и смешение двух вяз-ких жидкостей, т. е. получение смеси полимеров. Эффек-тивность смешения определяется в большей степени тем, насколько мы овладели техникой смешения, нежели его тео-рией. Тем не менее, знание теории смешения позволяет пол-нее овладеть техникой этого процесса, т. е. обеспечить его наибольшую эффективность.

 

 

Виды процессов смешения

 

Смешение – это сложные физико-механический и фи-зико-химический процессы, связанные с воздействием сило-вых полей, перемещением исходных компонентов в объеме смесительного аппарата по сложным траекториям, с образо-ванием системы, характеризующейся статистически случай-ным распределением компонентов. При получении пласти-ческих масс в полимеры вводят наполнители, стабилизато-ры, пластификаторы, смазки, красители, пигменты и другие модификаторы и добавки. В состав смеси могут входить два и более исходных компонентов. Для многокомпонентных сме-сей процесс смешения можно рассматривать как смешение каждого последующего компонента с ранее полученной сме-сью. Процесс смешения может быть периодическим или непре-рывным.

Периодический процесс смешения заключается в за-грузке всех компонентов одновременно или в определенной последовательности в смеситель и их перемешивании в те-чение заданного времени до получения требуемого качес-тва материала, после чего он выгружается из смесителя. Этот процесс наиболее широко распространен в промыш-ленности переработки пластмасс.

По такому принципу работают смесители разных типов: барабанные, вихревые, роторные, валковые, смесители за-крытого типа Бенбери, а также различные типы мешалок. Такие смесители удобны в работе, позволяют легко менять последовательность введения компонентов и регулировать температуру.

Непрерывный процесс смешения наиболее прогрессив-ный и заключается в осуществлении смешения исходных компонентов в объеме аппарата под воздействием смеси-тельных органов, получении готового материала заданного качества смешения и непрерывной его выгрузке или полу-чения непрерывного изделия.

Для непрерывного смешения чаще всего используют экструдеры различных типов одно- и двухшнековые, осцил-лирующие и дисковые, модификаторы с различными типами смесительных насадок и др.

Значительный прогресс в технологии достигается при совмещении непрерывного процесса смешения с получени-ем готового длинномерного изделия, например методом экструзии. Непрерывное смешение обеспечивает высокую про- изводительность, хорошее качество смешения и высокую про-изводительность.

Различают два основных механизма смешения: прос-тое и дисnергирующее.

Под простым смешением понимают процесс, в ре-зультате которого происходит хаотически случайное рас-пределение частиц исходных компонентов в объеме без из-менения их начальных размеров.

Диспергuрующее смешение – это процесс смешения, который сопровождается изменением (уменьшением) на-чальных размеров частиц компонентов, связанный с их дроблением, разрушением агрегатов, деформированием и распадом дисперсной фазы и т.д. Основная задача диспер-гирующего – смешения разрушить агрегаты твердых частиц распределить их в объеме жидкого полимера.

 

Критерии эффективности и оценка качества смешения

Многообразие исходных компонентов, их агрегатно-го состояния, конструкций аппаратов для смешения, назна-чение смеси при получении пластических масс позволяет сделать принципиальный вывод об относительности поня-тия качества смешения.

В большинстве случаев процесс смешения предпо-лагает получение из исходной неоднородной смеси одно-родной, характеризующейся статистически случайным распределением компонентов в объеме. На рис. 1 показана картина перехода от абсолютно несмешанной исходной сис-темы (а) к статистически случайному распределению час-тиц диспергируемого компонента (черные точки) в объеме (6, в, г) дисперсионной среды (белое поле).

При идеальном статистическом смешении распреде-ление Р(х) доли диспергируемого компонента (х) вещества в отбираемых пробах подчиняется биномиальному закону:

Р(х)= , (1)

где N – суммарное число частиц двух фаз в пробе;

b – число частиц диспергируемой фазы в пробе;

q - относительное содержание диспергируемой фазы (q = b/N)

 

Рисунок 1 – Упорядоченное (1), неравномерное распределение (2,3) и случайное (4) распределение частиц в смеси.

Белые клетки на 2,3,4 поле – размер пробы; маленькая черная – размер частицы диспергируемого вещества.

 

Биномиальное распределение характеризуется определен-ным разбросом (среднеквадратичное отклонение содержа-ния диспергируемого компонента в пробах) или генеральной дисперсией (σ²).

Генеральная (теоретическая) дисперсия распределения определяется по формуле

σ² = q (1 - q)/N (2)

Средняя концентрация частиц диспергируемой фазы в i-той пробе = (3)

Для реальных смесей за критерий качества смешения при-нимают значение дисперсии (S²), которое рассчитывают по концентрации диспергируемого компонента (с_i) в отбираемых по ходу смешения пробах (не менее 10-25 проб):

S² = , (3)

или (3а)

где М – число проб, Хi – концентрация частиц в i -той пробе.

Размер пробы должен быть большим по сравнению с размером частиц, но небольшим по отношению к объему сме-си. Рекомендуют минимальный размер пробы определять как:

N_мин = 9/q(1-q) (4)

Наибольшее распространение для оценки качества смешения получил коэффициент неоднородности (вариа-ции) смеси – Кс, который определяется экспериментально и рассчитывается как

, (5)

где Хо – концентрация частиц компонента при идеальном (предельном, теоретически равна заданной концентрации дис-персной фазы) распределении в смеси (Кс в этом случае →0);.

Хi – концентрация частиц компонента в i- той пробе.

 

Значение выбранного критерия качества меняется в процессе смешения и достигает своего предела, что харак-теризует получение предельного уровня качества данной смеси на данном оборудовании при заданных технологичес-ких параметрах смешения. Хорошее качество смешения, до-стигается при определенном минимальном значении дефор-мации сдвига (γ мин) при ламинарном смешении систем жидкость – твердый компонент, жидкость – жидкость, кото-рое равно для промышленного смесительного оборудования 800 – 3000. Так при смешении в смесителе Бенбери

γ мин = 800 – 1300, в экструдерах – γ мин = 1000 – 2100, на вальцах и каландрах – γ мин = 2100 – 2600.

Смешение высоковязких жидкостей (расплавы полимеров) происходит в результате деформирования компонентов при воздействии сдвиговых деформаций в рабочих органах машин, которое сопровождается их перемещением в объеме, вытягиванием диспергируемого компонента в полосы уменьшающейся толщины, увеличением поверхности раздела фаз и статистически случайным распределением исходных компонентов в смеси.

Реальное смешение расплавов полимеров с плотностью -103 кг/м³ и вязкостью 102 – 106 Па·с происходит в ламинар-ном режиме течения при критерии Рейнольдса менее 2320.

Одним из удобных методов оценки качества смеше-ния таких смесей является определение средней ширины полос между слоями одного и того же компонента..

Вытягивание и утонение полосы диспергируемого компонента удобнее рассматривать в зазоре между парал-лельными пластинами (рис. 3). В этом случае деформация сдвига равна

γ = L/ Н или γ = ctg φ. (6)

С деформацией сдвига средняя ширина полос (r) свя- зана соотношением

r = (r₀ / γ q) (η₁ / η₂), (7)

где r_o – начальная ширина полос; q – объемное содержание диспергируемой фазы; η₁ и η₂ – вязкость дисперсионной среды и дисперсной фазы.

 

С уменьшением толщины полосы улучшается качес-тво смешения. Средняя толщина полос с увеличением вре-мени смешения уменьшается и установлена ее связь с объ-емом смеси (V) и поверхностью раздела фаз (S):

r= 2V/S (8)

Задавая критерий смешения (I), можно рассчитать ми-нимальное значение деформации сдвига (γ мин) для его до-стижения в смеси с учетом вязкости исходных компонентов:

γ _мин = (9)

Из приведенной зависимости следует, что при введе-нии малых количеств дисперсной фазы от доли до несколь-ких процентов, оптимальное значение деформации сдвига существенно возрастает. Достижение хорошего качества смешения требует большого времени.

Для равномерного распределения малых количеств компонента в смеси (пигмента) используют стадию предва-рительного получения концентрата, в котором содержится

до 30% об. дисперсной фазы, с последующим его введени-

ем в основной компонент.