Диспергирование жидкости, пластмасс, измельчение
Механизм и основные показатели процесса диспергирования.
При рассмотрении диспергирования пластмасс обычно большое внимание уделяется кинетике процесса и его энергетическим характеристикам (энергозатратам).
Обычно ввиду сложности процесса пользуются графической зависимостью размеров частиц от времени проведения процесса. Приведенные данные для процесса разрушения стекловолокнистого наполнителя в процессе сдвига расплава в зазоре ротационного вискозиметра и переработки в экструзионном оборудовании являются типичными и позволяют выделить две характерные особенности процесса диспергирования. Во-первых, процесс разрушения имеет несколько периодов; переход от начального одпомодального распределения к конечному одиомодальному происходит через промежуточное бимодальное, для которого характерен широкий интервал размеров измельчаемого материала. Во-вторых, существует предельное минимальное значение размера частиц, получаемое в диспергирующих устройствах данной конструкции с заданной удельной мощностью, развиваемой в объеме диспергируемого материала. Поэтому кинетическое уравнение процесса диспергирования может быть записано не только в виде зависимости dGd/dt (где Gd — содержание частиц крупнее предельного размера, до которого ведется измельчение) от факторов процесса и свойств материала; оно может быть также записано в виде
(d/dt)x((Gd-Gd0)/(Gd0-Gdk))=f(Gd,R,m)
где Gd0 и Gdk — начальное и конечное содержание фракций, R — коэффициент, зависящий от условий измельчения и свойств измельчаемого материала; m — коэффициент, зависящий от Gd.
Значения коэффициентов R и т и вид функции в каждом конкретном случае находятся экспериментально.
Способы оценки работы, необходимой для измельчения частиц с исходным размером D до частиц размером d, разрабатываются в ряде теорий, из которых «поверхностная» и «объемная» являются наиболее общими, не учитывающими вид процесса разрушения.Согласно «поверхностной» теории, работа диспергирования затрачивается на преодоление сил молекулярного притяжения при образовании новой поверхности и пропорциональна площади вновь образующейся поверхности:
A =6AoD2(L-1)
где А0 — работа, затрачиваемая на образование единицы поверхности
По «объемной» теории, работа, необходимая для измельче-ния геометрически подобных тел одинакового состава, изменяется пропорционально объемам или массам этих тел. Необходимое усилие измельчения пропорционально поверхностям измельчаемых тел или квадрату диаметра. В ряде случаев оказывается возможным аналитический расчет потребляемой мощности и работы с учетом вида разрушения.В устройствах ударного действия материал измельчается за счет создания ударных нагрузок при падении на материал измельчающих тел, при столкновениях частиц измельчаемого материала с измельчающими телами. Условием разрушения частицы является превышение кинетической энергии, переданной измельчаемому материалу, над работой однократного разрушения материала. В процессе ударного разрушения развиваются как упругая, так и пластическая деформации, однако ввиду кратковременности приложения нагрузки пластические деформации не развиваются до заметных величин, и разрушение носит хрупкий характер. Процесс разрушения определяется физико-механическими свойствами измельчаемого материала (твердостью, упругостью), размерами частиц, их формой и рядом других факторов. Критическая скорость удара, при которой происходит разрушение, может быть получена из решения контактной задачи Герца. Интенсификация процесса может быть достигнута как увеличением скорости движения частиц, так и повышением хрупкости перерабатываемого материала за счет снижения его температуры. В первом случае применяется высокая частота вращения ротора молотковых дробилок (до 10 000 об/мни) или высокое давление газа (0,3-1,0 МП а) в струйных мельницах. Для охлаждения измельчаемого материала используется углекислый газ, жидкий азот и т. п. Все это позволяет получать порошки полимеров с размером частиц до 0,15-0,03 мм в роторных дробилках и до 0,075-0,045 мм (в отдельных случаях до 0,4-0,2 мкм) в струйных мельницах.
Для высоко-эластических материалов (термопластов) обе теории (объемная и поверхностная) практически не применимы. Структура этих полимеров позволяет достаточно легко измельчать их за счет среза. Работа измельчения может быть рассчитана по напряжению среза с учетом его зависимости от скорости среза. Процессы разрушения за счет сдвига включа-ют несколько стадий развития упругой деформации, которая сменяется пластической с последующим распространением cре за, сопровождающегося изгибом и разрывом материала. К со-жалению, в настоящее время отсутствуют необходимые сведения о развитии контактных напряжений и характере разрушения полимерных материалов.
Характеристики различных типов диспергирующего оборудования, наиболее широко применяемых в промышленности пластмасс, приведены в табл. 3.1 [91].
Несколько другой характер носит процесс диспергирования ингредиентов в расплаве полимеров при получении наполненных композиционных материалов или их окрашивании. Обычно наполнитель в виде тонко измельченного порошка загружается в смесительное оборудование вместе с твердым полимером и в процессе его плавления и уплотнения образуются агломераты, диспергирование которых осуществляется за счет дальнейшего сдвигового воздействия на композицию. При этом происходит не только разрушение агломератов, по и перемешивание частиц агломерата с расплавом полимера. Процесс диспергирования таких агломератов наиболее интенсивен при содержании твердого наполнителя 30-70%.
Условия успешного проведения процесса диспергирования агломератов могут быть сформулированы с учетом следующего предположения. Несмотря на различную природу сил, связывающих частицы в агломерате,эти силы могут характеризоваться величиной F и радиусом действия г*, причем для упрощения расчета можно принять F постоянной в пределах г* и пренебрежимо малой на больших расстояниях. Для достижения диспергирования необходимо не только вывести частицы из взаимного контакта, но и развести их на расстояние, большее г*. При этом необходимо учитывать первоначальную ориентацию линии центров диспергируемых частиц относительно направления действия напряжения сдвига. Проведенный Мак-Келви анализ движения частиц показал, что только при напряжении сдвига выше некоторого предельного, характерного для данной системы, может происходить диспергирование частиц. Таким образом, для интенсификации процесса диспергирования агломератов необходимо создать в композиции высокие напряжения сдвига, а для создания благоприятной для деагломерации ориентации частиц необходимо периодическое изменение направления линий тока.
В оборудовании,используемом для проведения процессов диспергирования (экструдеры, закрытые смесители), для ин тенсификации этих процессов часто используются диспергирующие элементы типа кулачков или лопастей различной формы; процесс диспергирования наиболее интенсивно проходит в зазоре между кромкой лопасти (кулачка) и стенкой камеры.
Анализ течения композиции, а следовательно, и условии диспергирования в зазоре, обычно выполняется путем «развер-тывания» стенки камеры (радиус кривизны камеры велик по сравнению с зазором) и расчета поля скоростей в расплаве между неподвижной лопастью и стенкой, движущейся со ско-ростью v. Для удобства анализа весь зазор может быть разбит на отдельные участки с постоянной глубиной канала или переменной глубиной меняющейся от начальной до конечной на отрезке L.
Ввиду сложности гидродинамических процессов при диспер-гировании расчеты носят ориентировочный характер. Поэтому нередко пользуются моделированием диспергирующего оборудования с учетом принципиальных положений, изложенных выше.
Диспергирование волокнистого наполнителя при экструзии
В процессах получения и переработки композиционных ма-териалов с волокнистым наполнителем наблюдается значительное разрушение волокон наполнителя (его диспергирование), причем уменьшение длины наполнителя резко ухудшает физико-механические свойства изделий. Очевидно, что в данном случае процесс диспергирования является крайне нежелательным и его требуется подавлять.
Имеющиеся литературные данные показывают, что характер разрушения волокнистого наполнителя в каждой функциональной зоне различен.
В зоне загрузки и транспортировки нерасплавленной компо-зиции,как правило, разрушение наполнителя незначительно до 4-5%. Это объясняется тем, что здесь перерабатываемый материал (в виде гранул наполненной композиции или сухой смеси) не подвергается воздействию больших давлений и напряжений сдвига, так как давление в зоне транспортировки развивается достаточно медленно, и часто (особенно при переработке волокнистых сухо смешанных композиций) канал заполнен не полностью. Однако при переработке волокнитов (типа ДСВ-2-Р-2М и У2-301-07) наблюдается разрушение волокон наполнителя в зоне захвата материала за счет среза при набегании боковой поверхности червяка на переднюю стенку загрузочного отверстия. Указанное явление отмечено при работе экструдеров как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении, при наличии и отсутствии продольных пазов в зоне загрузки, при принудительной загрузке композиции как питающим червяком, так и поршнем.
В зоне расплава диспергирование также невелико по нескольким причинам. Для композиций с большой длиной волокон10-15 мм разрушение наполнителя не происходит вследствие пробкообразного характера движения расплава, когда отсутствуют сдвиговые деформации в «пробке». Разрушение имеет место лишь в тонком пристенном слое (где реализуются большие скорости сдвига), однако его вклад невелик. Для композиций с малой длиной наполнителя (до 2-3 мм) разрушение в зоне расплава также невелико (но больше, чем в первом случае), так как в зоне расплава напряжения сдвига невелики вследствие высокой температуры, а сам наполнитель поступает в эту зону уже значительно разрушенным и для его дальнейшего разрушения требуются более высокие значения напряжений сдвига. Диспергирование волокон в зоне дозирования зависит от конструктивных особенностей оборудования, параметров экструзии и состава композиции. В целом диспергирование возрастает с увеличением частоты вращения червяка, степени наполнения композиции, давления в формующем инструменте, а также при уменьшении глубины канала червяка и зазора между наружной поверхностью нарезки червяка и внутренней поверхностью материального цилиндра.
Целесообразно выделить область расплава,следующую непосредственно за окончанием нарезки червяка. В этой области в высоковязких волокнистых композициях происходит раз-рушение наполнителя за счет напряжений сдвига, возникающих в месте окончания нарезки червяка между материалом, находящимся в канале червяка и вращающимся вместе с ним, и материалом у входа в формующий инструмент, который не перемещается в окружном направлении.
Наиболее значительное разрушение наполнителя происходит в зоне плавления полимера и его сжатия, где развиваются достаточно высокие давления (особенно вблизи частиц нерасплавленного полимера) и напряжения сдвига ввиду низкой температуры расплава, зона.При этом необходимо рассмотреть отдельно процессы разрушения в каналах с малой и с большой степенью сжатия i (или с 1=1). В первом случае в зоне плавления не развиваются такие большие давления, как во втором, что приводит к принципиально различным механизмам диспергирования наполнителя.При экструзии наполненных волокнистых композиций при малой степени сжатия канала червяка отмечается постепенное увеличение содержания фракций волокнистого наполнителя с характерной длиной I*. Для стеклонаполненных композиций величина I* составляет 0,2-0,3 мм. Характерно, что кривые распределения длины наполнителя являются двухмодальными, причем один из пиков лежит в области исходной длины наполнителя, а второй в области Ч , что указывает на существенное преобладание одного, вполне определенного механизма разрушения наполнителя. Поскольку для наполненных композиций с наполнителем длиной 2-3 мм характерен пленочный режим плавления, а развивающиеся давления невелики, в не-расплавленной «пробке» наполнитель сохраняет исходную сред-нюю длину. В то же время в зоне циркуляции расплава и в пленке расплава между цилиндром и пробкой присутствует в больших количествах измельченный наполнитель с характерной длиной.Поскольку разрушение в зоне циркуляции расплава незначительно, основной зоной разрушения является пленка расплава на поверхности материального цилиндра.
Учитывая специфику свойств волокнистого наполнителя, а также сравнимость длины наполнителя с глубиной канала, можно считать, что его разрушение происходит за счет изгибающих напряжений, причем волокна могут рассматриваться как упругие гибкие стержни, закрепленные одним концом в пробке и выступающие в движущуюся пленку расплава. Влияние частиц наполнителя, находящегося в расплаве, может быть учтено введением в расчет вязкости расплава композиции, со-держащей мелко измельченное волокно, вместо вязкости диспергирующей среды.
При переработке стеклонаполненных сухосмешанных компо-зиций (обычно термопластичных) с использованием «червяков с большой степенью сжатия, что вызвано необходимостью уплот-нения композиций малых плотностей, в зоне сжатия и плавления развиваются высокие давления, и разрушение наполнителя происходит по механизму, отличному от изложенного выше. В работе было показано, что разрушение стекловолокна в условиях сжатия может быть весьма значительным. Ввиду того, что наряду с разрушением волокна под действием давления происходит сильное уплотнение массы (причем оба типопрoцесса тесно связаны с изменением положения отдельных волокон), целесообразно рассмотреть относительное изменение длины разрушенного стекловолокнистого наполнителя в зависимости от изменения плотности массы р/р0.В процессе сжатия можно выделить три ха-рактерных участка.
В области малых давлений, а следовательно, малых значе-ний р/ро разрушение наполнителя практически не происходит, и уплотнение массы осуществляется за счет изгиба волокон и их относительного перемещения. При дальнейшем увеличении дав-ления наблюдается резкое уменьшение длины наполнителя, которое, как и увеличение плотности, связано с его разрушением за счет изгиба. Характер разрушения за счет изгиба подтверждается микроскопическими исследованиями поверхностей разрушении, которые оказываются типичными для изгиба.
В дальнейшем скорость разрушения замедляется, и при до-вольно значительном изменении плотности средняя длина на-полнителя меняется слабо. В этой области разрушение идет в основном за счет контактных напряжений, что также подтверж-дается микроскопическими исследованиями продукта разруше-ния. Следует отметить значительное влияние начальной длины стекловолокна на интенсивность разрушения. В то же время в области больших давлений (около 20 МПа) средняя длина разрушенного стекловолокна не зависит от его начальной дли-ны.
Дополнительное разрушение волокнистого наполнителя происходит также в формующем инструменте. Для случая стекло-волокнистого наполнителя (волокнит типа ДСВ-2-Р-2М), в исходном состоянии представляющего собой стеклонити из большого числа (несколько сотен) стекловолокон, происходит как процесс уменьшения длины стеклонитей, так и их расщепление на отдельные волокна.
Исследование разрушения стекловолокнистого наполнителя при течении в каналах различной формы показало, что его разрушение в каналах постоянного поперечного сечения незначительно вследствие пробкообразного характера течения. При течении в конических сужающихся каналах разрушение наполнителя велико. Оно усиливается с увеличением перепада давления в коническом канале и уменьшается с уменьшением ве-личины угла при вершине конуса.Разрушение определяется и диаметром выходного отверстия конического канала. Меньшая сте-пень разрушения в каналах малого диаметра объясняется тем, что к моменту входа расплава в капилляр наполнитель успева-ет ориентироваться в направлении течения расплава, и не под-вергается воздействию изгибающего момента от действия каса-тельных напряжений, как это имеет место в каналах большого диаметра.
Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют методики расчета степени разрушения волокнистого наполнителя в каналах с уменьшающимся поперечным сечением, и при анализе приходится использовать экспериментальные данные.
Классификация способов диспергирования.
В основу рассматриваемой классификации положены способы подвода энергии, расходуемой непосредственно на диспергирование жидкостей. В соответствии с этим различают гидравлическое, механическое и пневматическое диспергирование.
Гидравлическое диспергирование. При этом способе диспергирования основным энергетическим фактором, приводящим к распаду жидкости на капли, является давление нагнетания. Проходя через диспергирующее устройство, жидкость приобретает достаточно высокую скорость и преобразуется в форму, способствующую быстрому и эффективному распаду (струя, пленка и т. п.).
Форсунки для гидравлического диспергирования по принципу действия подразделяют на струйные, с соударением струй, центро-бежные.
Струйные форсунки представляют собой насадок с цилиндрическим или какой-либо другой формы отверстием (соплом). Вытекающая из него под действием перепада давления струя распадается на капли с довольно большим разбросом размеров по диаметру. На рис. 1 в качестве примера приведены схемы струйных форсунок с цилиндрическим, щелевым, кольцевым соплом и с соплом в виде круговой прорези.
Форсунки с соударением струй работают по принципу разбивания на капли нескольких струй, вытекающих из соответствующих насадков. Из точки столкновения двух цилиндрических струй результирующий поток растекается радиально, образуя плоскую пленку, распадающуюся на капли.
Центробежные форсунки обычно имеют тангенциальные входные отверстия, что способствует более интенсивному распаду струи при ее выходе из сопла.
Гидравлическое диспергирование — простой и самый экономичный по потреблению энергии способ диспергирования (2-4 кВт на диспергирование 1 т жидкости), поэтому он наиболее широко рас-пространен в технике.
К недостаткам гидравлического диспергирования следует отнести довольно грубое и неоднородное дробление жидкости, трудность диспергирования высоковязких жидкостей.
Повысить эффективность гидравлического диспергирования можно наложением пульсаций давления или расхода (чаще и того, и другого) на поток диспергируемой жидкости. Возникающие при пульсационном диспергировании дополнительные колебания жидкостной струи или пленки способствуют увеличению поверхностной энергии, быстрой потере устойчивости потока и, как следствие, более тонкому диспергированию.
Другим методом повышения эффективности гидравлического диспергирования является сообщение потоку жидкости дополнительной энергии за счет высоковольтного электрического разряда (пробоя жидкости) в полости распылителя. При этом происходит выброс высокоскоростного потока капель, которые догоняют и дополнительно дробят капли, покинувшие диспергирующий элемент в период между импульсами. Кроме того, сопровождающие разряд эффекты (ударная волна, кавитация) длятся практически весь промежуток времени между импульсами и также приводят к дроблению жидкости, покидающей распылитель за это время.
Механическое диспергирование. При этом способе диспергирования жидкость получает энергию вследствие трения о быстровращающийся рабочий элемент. Приобретая вращательное движение, жидкость под действием центробежных сил срывается в виде пленок и струй с рабочего элемента и дробится на капли.
По способу подвода жидкости механические диспергирующие элементы подразделяют на устройства с непосредственной подачей
жидкости на рабочий элемент и погружные. При подаче жидкости на рабочий элемент жидкость под действием центробежных сил течет по нему и диспергируется за его пределами. Наиболее простым из таких устройств является гладкий тарельчатый диск (рис.2); для повышения эффективности диспергирования диск может приводиться во вращательное движение.
К основному достоинству механического способа диспергирования следует отнести возможность дробления высоковязких и загрязненных жидкостей. Недостатком является то, что рабочие элементы при механическом диспергировании довольно сложны в изготовлении и эксплуатации и энергоемки (расход энергии составляет порядка 15 кВт на 1 т жидкости).
Пневматическое диспергирование. При этом способе диспергирования энергия подводится к жидкости в основном в ре-зультате динамического взаимодействия жидкости с потоком газа. Благодаря большой относительной скорости потоков в диспергирующем элементе жидкость сначала расслаивается на отдельные струи, которые затем распадаются на капли.
Обычно выбор пневматического диспергирования обусловлен необходимостью получения мелкодисперсных капель жидкости (диаметром порядка 100-200 мкм), что трудно реализовать другими способами диспергирования. На рис.3 приведена схема одной из разновидностей пневматической форсунки. Диспергируемую жидкость подают на тарелку 3, куда поступает также сжатый воздух, который сдувает с тарелки жидкость и диспергирует ее.
К достоинствам пневматического способа диспергирования относятся малая зависимость качества диспергирования от расхода жидкости, надежность в эксплуатации, возможность диспергирования высоковязких жидкостей. К недостаткам этого способа следует отнести большой расход энергии (50-60 кВт на 1 т жидкости), необходимость в диспергирующем агенте (обычно сжатый воздух) и оборудовании для его сжатия и подачи.
Эффективность пневматического диспергирования может быть существенно повышена, если газу сообщить колебания ультразвуковой частоты, что при прочих равных условиях обеспечивает более тонкое и однородное дробление жидкости.