Диспергирование, перемешивание, измельчение
Подготовительное производство,диспергирование,дозирование,измельчение,перемешивание
Технология подготовительного производства в промышленности пластмасс охватывает большое число способов обработки исходных материалов, основной целью которой является обеспечение высокого качества конечного продукта.В технологии пластмасс подготовительное производство является промежуточным звеном между производством исходных полимеров и их переработкой, т. е. изготовлением из них полуфабрикатов. На всех трех этапах технологии пластмасс применяются процессы дозирования, нагнетания, хранения и упаковки.
В подготовительном производстве преимущественно осуществляют такие процессы, которые облегчают и улучшают переработку полимеров. Основное назначение подготовительного производства — улучшение перерабатываемости полимеров, модификация свойств полимеров в соответствии с требованиями к конечным продуктам, обеспечение проведения экономически выгодных процессов производства изделий с хорошими эксплуатационными свойствами. При этом рассматривается главным образом тепло и массообмен, которые реализуются при перемешивании и диспергировании под воздействием тепловой и механической энергии.
Наряду с подготовкой исходных компонентов (например, стабилизаторов, пластификаторов, смазывающих веществ, красителей и др.) часто требуется удалить низкомолекулярные вещества (например, влагу, остаточные мономеры, растворители) и придать полимеру с наполнителями хорошую перерабатываемость. Ниже приведены процессы подготовительного производства промышленности переработки пластмасс.
Модификация материала
Совмещение: перемешивание сыпучих материалов с сыпучими, сыпучих с жидкостями, жидкостей с жидкостями, жидкостей с газами; пропитка; растворение; суспендирование; вспенивание.
Разделение: сортировка твердых веществ; удаление жидкости из твердых частиц (сушка); удаление газов и летучих веществ из твердых частиц.
Формование материала
Агломерация: грануляция, таблетирование, уплотнение.
Измельчение: дробление, диспергирование.
СПОСОБЫ И ОСОБЕННОСТИ СОВМЕЩЕНИЯ ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ
В подготовительном производстве промышленности пластмасс особенно большое значение имеет совмещение исходных компонентов смеси. Существует множество разновидностей процессов перемешивания, осуществляемых с применением различных смесителей. Смеси делятся на гомогенные и гетерогенные. Гомогенная смесь во всех точках объема имеет одинаковые свойства, т. е. в ней существует только одна фаза. В отличие от химических соединений такая смесь не имеет определенной точки плавления и кипения. Свойства гетерогенной смеси не одинаковы в различных точках, так как в ней имеется две или больше фаз, отделенных друг от друга границами раздела.В подготовительном производстве решается множество задач по перемешиванию,при этом отдельные компоненты смеси находятся в различных состояниях. Ниже приведены различные варианты смешения:
Исходные вещества: Примеры перемешивания
Два твердых вещества :пермешивание порошкообразного или гранулированного полимера с порошкообразными компонентами (стабилизаторами,смягчителями, смазывающими веществами и т. д).
Твердое вещество и высоковязкая жидкость: Введение твердых веществ в расплавы полимеров.
Твердое вещество и низковязкая жидкость:Перемешивание жидких пластификаторов и стабилизаторов с порошкообразным полимером в производстве паст.
Две высоковязкие жидкости: Перемешивание расплавов различных полимеров, при получении ударопрочного полистирола и АБС-пластика.
Высоковязкая и низковязкая жидкости: Перемешивание компонентов при производстве пенополиуретана; смешение паст с растворителями в производстве органических коллоидных растворов.
Две низковязкие жидкости: перемешивание компонентов при переработке эпоксидных смол
Особенности изготовления смесей в подготовительном производстве связаны с разнообразием структур вязко-пластичных жидкостей,растворов или расплавов полимеров, перемешивание которых требует особого подхода; с относительно малой теку-честью компонентов смеси, препятствующей появлению турбулентности и этим затрудняющей процесс перемешивания; с большими трудностями равномерного распределения в смеси компонентов с относительно малым процентным содержанием (стаби-лизаторов, смазок, красителей, активаторов и т. д.).
В подготовительном производстве получают смеси различного состава и с различными физическими свойствами. Для переработки готовят суспензии, пасты, растворы, порошки и смеси порошков, агломераты, таблетки и гранулы.
На процессы перемешивания главным образом оказывают влияние три фактора: 1) конструкция смесителя; 2) тип, состояние и концентрация компонентов смеси; 3) технологические режимы процесса перемешивания.
Смесители, предназначенные для разных целей, работают по разным принципам и в них достигаются различные эффекты перемешивания. При подборе типа смесителя для получения требуемого качества смеси необходимо учитывать продолжительность перемешивания, емкость смесителя и потребляемую энергию.
Компоненты смеси.
В состав смеси кроме полимеров входит много других компонентов: смягчители, стабилизаторы, смазывающие вещества, красители (пигменты), наполнители, пластификаторы и др. Концентрация этих компонентов (за исключением наполнителей) относительно невелика. Она лежит в пределах 0,002 менее или равно С менее или равно 0,05 масс.ч. Концентрация С наполнителей колеблется в пределах 0,1мене или равно С менее или равно 0,4 масс.ч. и зависит как от ти-пов полимера и наполнителя, так и от желаемых свойств изделий. Для изделий специального назначения концентрация на-полнителя может быть значительно выше. При выборе рецептуры смеси следует учитывать воздействие отдельных компо-нентов смеси на полимер, а также взаимодействие компонентов между собой. От правильного выбора рецептуры смеси в значительной степени зависит равномерность физических и химических свойств готовых изделий.
Технология перемешивания.
Технология приготовления смеси определяется в первую очередь составом смеси и состоянием компонентов. Для приготовления смеси, отвечающей предъявляемым требованиям, необходимо выбрать наиболее подходящий вариант технологии. Наряду с периодическими, все большее применение находят непрерывные способы получения смеси. Основной предпосылкой при выборе способа приготовления смеси является возможность обеспечения постоянства подачи отдельных компонентов в соответствии с заданной рецептурой.
Технологии приготовления смеси при производстве термопластов и реактопластов сильно различаются. Во втором случае перемешивание отдельных компонентов часто сопровождается химическими реакциями сшивания макромолекул, поэтому про-цесс перемешивания ограничен во времени (в противном случае уже в процессе ввода компонентов смеси возможно протекание химических реакций). Если полимер не претерпевает химических превращений, готовая смесь при соответствующих условиях может сохранять свои свойства длительное время. Исключение составляют пасты из полимеров и пластификаторов, текучесть которых в зависимости от температуры хранения с течением времени сильно изменяется.
Элементы технологии подготовительного производства.
Движение частиц в процессе перемешивания обусловлено действием сил тяжести или смесительным воздействием мешалки. Для достижения гомогенной (с равномерным распределением компонентов) смеси необходимо, чтобы частицы двигались относительно друг друга во всех направлениях. Наряду с правильным выбором смесителя и мешалки качество приготавливаемой смеси определяется различными технологическими приемами, среди которых решающее значение имеет разогрев смеси. Он может происходить как за счет подвода тепла от внешних нагревателей, так и за счет диссипативного тепловыделения.
Из-за сложности процессов течения при перемешивании, аналитическое описание напряженного состояния смеси пока невозможно, т. е. не может быть определена временная и координатная зависимости скоростей и напряжений сдвига.
Однако известны факторы, влияющие на напряженное состояние материала. Этими факторами являются температура смеси, частота вращения мешалки, относительная скорость движения частиц смеси, ширина и длина зазора между мешалкой и стенкой, а также термодинамические характеристики компонентов смеси.
При смешении реакционно способных веществ может происходить нагрев массы за счет тепла экзотермических реакций. В этом случае подвод тепла от внешних нагревателей следует ограничивать, а корпус смесителя и мешалки — охлаждать.
Большое значение имеет последовательность загрузки компонентов смеси. При перемешивании твердых сыпучих материалов (порошков, агломератов, гранул) загрузка компонентов смеси не вызывает затруднений. Желательно в этом случае загрузку незначительного количества вспомогательных компонентов смеси производить при перемешивании основного компонента, с тем чтобы улучшить процесс диспергирования и провести его за достаточно короткое время.
При перемешивании сыпучей (порошкообразной) среды с жидкостью большое значение имеет их совместимость и распределение жидкости. В этом случае путем правильного температурного режима можно значительно снизить продолжительность процесса перемешивания и улучшить качество смеси.При небольшой концентрации порошка получают суспензии.При высокой концентрации порошкообразного материала получают пасты,которые применяются как шпаклевочный материал. При небольшой концентрации порошкообразных компонентов протекают процессы растворения, набухания и желатинизации, и выравнивание концентраций отдельных компонентов происходит в основном за счет диффузии. Массопередача от жидкой среды к сыпучим веществам является процессом диффузионным и зависит от структуры сыпучего материала. Часто твердые вещества обладают пористостью, при этом следует учитывать диффузию через поры. Коэффициент диффузии сильно зависит от температуры и агрегатного состояния веществ. Значения коэффициента взаимной диффузии некоторых сред при комнатной температуре приведены ниже:
Газы 10-5-10-4
Низкомолекулярные растворы 10-10-10-9
Высокомолекулярные растворы и расплавы 10-12-10-11
Твердые полимеры 10-16-10-13
Твердые низкомолекулярные вещества 10-50-10-30
Удельные энергозатраты при смешении сыпучих материалов незначительны и составляют 0,001-0,02 кВт-ч/кг.