Разработка эффективной технологии сушки стеклонаполненных полиамидов

Совершенствование техники во всех отраслях хозяйства тесно связано с широким применением синтетических материалов. Использование пластических масс, занимающих большое место в этой группе материалов, способствует решению целого ряда технических проблем во многих отраслях промышленности: машиностроении и приборостроении, радиои электротехнике, легкой промышленности и т. д. Без применения полимеров и полимерных композитов невозможно представить автомобилеи приборостроение, мобильную связь, компьютеры, космическую и авиационную промышленность [1,2].

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 теплои электроизоляционные материалы, обладают рядом ценных радиотехнических свойств, высокой химической стойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам, в том числе при низких температурах.

Одним 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 необходимость в дополнительной электроизоляции.

Однако к деталям предъявляются высокие требования по прочности на разрыв, изгиб, ударной вязкости. На них не допускаются трещины «серебра», вмятины, царапины, механические повреждения, а поверхность должна быть ровной, гладкой, без вздутий, пустот, раковин, холодных спаев, недоливов [3−6].

Для получения качественных деталей, наряду с правильностью технологии литья, важна подготовка материала — в том числе сушка[7].

Процесс сушки полимеров является процессом переноса вещества и характеризуется такими показателями как, коэффициент диффузии, диффузионный поток[8], оптимальное время сушки.

Работы по переработке полимеров проводились на предприятии «Опытный завод НИИХИТ» для производства аккумуляторных батарей, применяемых в авиационной технике.

Цель исследования.

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.

1. 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.

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

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

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

4. Установлено совместное влияние на процессы структурообра-зования 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, для 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 более высоким комплексом свойств.

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

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

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

Результаты работ обсуждены на конференциях:

1. На V Всероссийской конференции молодых ученых — Саратов,.

2005.

2. На VIII ежегодной международной конференции — Киев, 2007 (2 доклада).

По материалам диссертации опубликованы: 2 статьи в журналах ВАК, 3 статьи в докладах на конференциях, 2 монография.

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.

выводы.

1. Разработана новая эффективная технология сушки стеклонаполненных полиамидов — конвективно-лучевая сушка в режиме фонтанирующего слоя, обеспечивающая минимальную остаточную влажность в полимере и в результате этого высокий комплекс деформационно-прочностных свойств, позволяющих использовать данные полиамиды для изготовления деталей аккумуляторов авиационного назначения.

2. Впервые предложено использование расчета коэффициентов диффузии и диффузионного потока для процесса десорбции воды в результате термического воздействия на стеклонаполненные полиамиды ПА 6−210-КС, ПА 6−211-ДС, ПА-610-КС при использовании различных методов сушки (конвективная сушка, конвективно-лучевая и конвективно-лучевая сушка в фонтанирующем слое).

3. Установлено совместное влияние на процессы структурообразования термического воздействия и инфракрасного излучения. Степень кристалличности в полиамиде составляет 21%, в подвергнутом сушке возрастает от 40 до 72% соответственно, для конвективной и конвективно-лучевой в фонтанирующем слое.

4. Доказана взаимосвязь сформировавшихся в процессе сушки структур полиамида с деформационно-прочностными свойствами. Физико-механические свойства полиамидов увеличились: прочность при разрыве 8−19%), относительное удлинение при разрыве на 20−28%, разрушающее напряжение при изгибе на 10−18%, ударная вязкость на 20−26%.

5. Предложена новая методика расчета коэффициентов диффузии процесса десорбции воды из полимеров для разных методов и параметров сушки.

6. Определены оптимальные режимы сушки стеклонаполненных полиамидов при применении установки ТИС-50. Выданы практические рекомендации. Применение данной установки внедрено для изготовления полиамидных деталей аккумуляторов авиационных батарей.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Применение установки ТИС-50 позволяет проводить эффективную сушку стеклонаполненных полиамидов при производстве изделий и деталей из данных материалов.

2. Применение конвективно-лучевой сушки в фонтанирующем слое позволяет уменьшить расход материала (возможное уменьшение доли брака и технологических потерь, вследствие более полной сушки) при последующей переработке.

3. Оптимальный режим сушки — температура 100 °C, время сушки — 2−3 часа (большие время и температура могут приводить к термоокислительной деструкции).

4. Просушенный материал рекомендуется загружать в бункер литьевой машины в горячем состоянии. В случае невозможности немедленного использования материала, хранить его в установке для сушки при температуре 50−60°С без применения фонтанирующего слоя.

5. Для исключения попадания следов металла в материал рекомендуется изготавливать бункер установки ТИС из нержавеющей стали (алюминий подвергается истиранию).