Моделирование процесса плоского прессования плит из коры и термопластов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ПРЕССОВАНИЯ ПЛИТ ИЗ КОРЫ И ТЕРМОПЛАСТОВ

SIMULATION OF A PLANE PRESSING PLATE OF THE CRUST

AND THERMOPLASTICS

Руденко Б.Д., Плотников С.М., Изотов В.Т. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)

Rudenko, BD, S. Plotnikov, Izotov, VT. (SibGTU, Krasnoyarsk, Russia)

Представлены результаты моделирования процесса плоского прессования плит из отходов окорки и термопластов. Произведена количественная оценка распределения по толщине получаемых плит таких факторов как температуры, степени затвердевания термопласта, касательных и нормальных напряжений на границе раздела фаз и термические напряжения.

The results of modeling the process of pressing a flat slabs of bark and waste thermoplastics. To quantify the distribution of the thickness of plates obtained with factors such as temperature, degree of curing thermoplastic shear and normal stresses at the interface and thermal stresses.

Ключевые слова:отходы окорки, прессование, термопласт, технологический режим, моделирование.

Key words: waste bark, extrusion, injection molding, process conditions, modeling.

Плитные композиционные материалы из измельченных отходов окорки и термопластов можно изготавливать методом плоского прессования с применением контактного нагрева. Нагрев в прессе производят с двух сторон - снизу и сверху, т.е. производится симметричный нагрев, это позволяет ускорить процесс прессования [1,2,3,4].

На рисунке 1 приведена расчетная схема. Необходимо, чтобы выполнялось условие d<< l(т.е. одномерное тело, толщина значительно меньше других размеров), тогда процесс переноса энергии будем рассматривать в одномерной постановке. Начальное распределение температуры по толщине d равномерное.

Данная композиция перемешивалась в лопастном смесителе, после чего прессовалась в горячем прессе. Процесс прессования и нагрева совмещен, причем электронагрев производится контактным способом верхней и нижней прессующих плит.

При разработке математической модели процесса прессования плитных композиционных материалов из отходов окорки на основе термопластов будем использовать методику [5].

Рисунок 1 – Расчетная схема для рассмотрения модели прессования

Прогрев прессуемого пакета начинается при температуре @350K , содержание влаги не должно превышать 7 %. В процессе прессования именно при достиженииэтой температуры начинается размягчение полимера, после чего пакет становится непроницаем. С этого же момента начинается процесс обволакивания частиц коры полимерной матрицей. Таким образом, массоперенос в предшествующем этому моменту времени обусловлен только проницаемостью (фильтрацией)воздуха, находящегося в порах прессуемого пакета.

Плотность воздуха в 700 разменьше плотности прессуемых пакетов(около 900 кг/м³), поэтому влиянием массопереноса при фильтрации воздуха на температуру прессуемых пакетов можно пренебречь. В связи с этим в уравнении переноса энергии должен учитываться лишь объемный источник энергии, обусловленный тепловым эффектом процесса затвердевания полимерной матрицы [5]. Тогда уравнение переноса энергии будет иметь вид

, (1)

где с – удельная теплоемкость, кДж/(кг×К);

ρ – плотность, кг/м³;

Т – температура, градус К;

z – координата в одном направлении;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К).

I_VT– объемный источник энергии, обусловленный тепловым эффектом затвердевания термопласта [1].Частицы полиэтилена распределены по объему, в процессе затвердевания, требуется отводить (забрать) энергию, которую имеет расплавленный полиэтилен.

Так как проницаемость и физические свойства прессуемого пакета меняются в процессе прессования,формула переноса энергии должно быть дополненокинетическим уравнением затвердевания полимерной матрицы (2) и уравнением термо-вязкоупругости (3,4)[5]

. (2)

, (3)

где E,g,b,a - экспериментально определяемые параметры материала.

Г = 1, гамма функция согласно [6];

q - степень затвердевания;

q_k - степень затвердевания, конечное значение;

n–количество членов суммы ряда [6];

t - задаваемая продолжительность протекания процесса.

, (4)

где e(t) – реакция композиционного материала;

s(t) внешнее силовое воздействие;

K – показательная функция [2].

Соответствующиеуравнениям (3) и (4) ядра и резольвенты должны соответствовать условиям [5], для обеспечения условия затухания памяти b< 0. Чтобы ядро имело слабую особенность при t® 0 параметр a должен удовлетворять условию 0 <a< 1; нормирующий множитель g> 0.

Функция температурно-временного сдвига

(5)

где Т₀–температура нулевого уровня;

- коэффициент для материалов, принимается в соответствии со свойствами используемых материалов (требует введения ограничений);

k₁ = 0,025, k₂ = 2. – коэффициенты сдвига пакета, принятые нами в соответствии с характеристиками материала.

Совокупность уравнений (2) – (5) представляет собой математическую модель процесса изготовления плитных (используется одномерное тело) композиционных материалов из измельченных частиц отходов окорки и термопластов.

Выводы

Представлена математическая модель процесса плоского прессования плитного материала, которая основывается на уравнении переноса энергии в композиционном материале, кинетического уравнения отверждения полимерной матрицы и уравнения термо-вязкоупругости.

Можно выявить критерий, когда структура прессуемого композиционного материала достигает оптимума, согласно которому следует завершать прессование.

Список использованных источников

1. Руденко, Б.Д. Использование коры для производства плит на термопластичном связующем / Б.Д. Руденко // Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов : сб. ст. – Минск, ч.2, 2009. – с. 196-199.

2. Руденко, Б.Д. Режим изготовления плит из коры и вторичного полиэтилена / Б.Д. Руденко, С.М. Плотников // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. ст. – Брянск, выпуск 24, 2009. – с. 146-149.

3. Руденко, Б.Д. Свойства плит из древесной коры и вторичного полиэтилена [Текст] / Б.Д. Руденко // Деревообрабатывающая промышленность. – 2010. - №1. – с.7-8.

4. Руденко, Б.Д. Влияние состава на формирование свойств плит из коры и вторичного полиэтилена [Текст] / Б.Д. Руденко // Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. – 2010. - №4. – с. 151-155

5. Моделирование свойств и процессов прессования реактопластов / В. Д. Котенко [и др.]. – Москва: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. – 284 с.

6. Котенко, В. Д. Экспериментальное исследование термовязкоупругих свойств препрегов / В. Д. Котенко, А. В. Миролюбов, А. А. Шевляков // Технология химико-механической переработки древесины: в сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 273. - 1994. - С. 33 - 41.