Получение и модифицирование низковязких полимерных композиций в роторно-пульсационных аппаратах в режиме автоколебаний 05. 17. 06 Технология и переработка полимеров и композитов

Вид материала

Автореферат

Содержание Зао «арматэк» 1 Общая характеристика диссертации Цель работы Научная новизна Практическая ценность исследования Апробация работы Структура и объём работы 2 Методические вопросы экспериментального исследования Дисперсии антиоксидантов Искусственные латексы. Каучуковые композиции 3 Теоретические основы процесса активирующего смешения в Роторно-пульсационные аппараты Гидродинамика потоков Количественное описание процесса 4 Технологии получения и модифицирования низковязких полимерных композиций в роторно-пульсационных аппаратах в режиме автоколеба Получение искусственных латексов. Р Процессы получения и модифицирования композиций, сопровождающиеся физико-химическими превращениями Модифицирование каучуков в растворе.

Подобный материал:

• Влияние природы наполнителя и механической активации на свойства композитов на основе, 282.48kb.
• «Химия и технология переработки пластмасс и полимерных композитов», 351.62kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 17. 06 «технология, 92.07kb.
• Методы модификации полимерных материалов углеродными наноструктурами, 35.19kb.
• Утверждаю, 91.44kb.
• Синтез и свойства композиционных материалов на основе матриц полиметилметакрилата, 303.47kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 483.26kb.
• Международном Форуме «Высокие технологии XXI века», 24.33kb.
• Особенности строения полимерных фаз (Курсовая работа по курсу "Строение вещества"), 349.92kb.
• Задачи изучения: получение систематических знаний о физико-химических основах синтеза, 185.92kb.

На правах рукописи


ТУБОЛКИН АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ


Получение и модифицирование низковязких полимерных композиций в роторно-пульсационных

аппаратах в режиме автоколебаний


05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов


АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК


Санкт-Петербург

2006 г.


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (технический университет)". Научный руководитель:

профессор, доктор технических наук Бритов Владислав Павлович.

Официальные оппоненты:

профессор, доктор химических наук Евтюков Николай Зосимович; кандидат технических наук Шаховец Сергей Евгеньевич.

Ведущая организация:

ЗАО «АРМАТЭК»

Защита диссертации состоится "___"_______200__ г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.230.05, при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (технический университет)" по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (технический университет)".

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26,

Автореферат разослан "___"________200__ г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Канд. хим. наук, доцент Ржехина Е.К.


1 Общая характеристика диссертации


1.1 Актуальность проблемы. Получение и модифицирование полимерных композиций в процессе смешения является одним из основных способов создания новых материалов.

В последние годы развиты новые феноменологические представления об активирующем смешении, как процессе получения полимерных композиционных материалов, в ходе которого энергия, сообщаемая компонентам, наряду с гомогенизацией и диспергированием либо инициирует химические взаимодействия между компонентами, не проявляющиеся в других условиях, либо увеличивает скорость химических взаимодействий. Данные представления оказались наиболее результативными при создании технологий получения и модифицирования композиций на основе низкомолекулярных полимеров.

В то же время созданные технологии требуют совершенствования с целью увеличения производительности процесса и повышения качества получаемых композиций.

Одним из наиболее эффективных способов реализации активирующего смешения низковязких полимеров является обработка компонентов смесей в роторно-пульсационных аппаратах (РПА), работающих как в ламинарном, так и турбулентном режимах. Установлено, что данные аппараты могут при определенных условиях работать также в специфическом режиме автоколебаний, при котором происходит значительное снижение потребляемой мощности и повышение пульсирующего динамического давления на материалы. Это открывает новые возможности для интенсификации проводимых в них процессов. Однако исследования в этой области для полимеров практически отсутствуют.

1.2 Цель работы ― создание теоретических основ технологий получения и модифицирования низкомолекулярных полимерных композиций различного назначения в РПА в режиме автоколебаний и совершенствование существующих процессов обработки полимеров в РПА.

Реализация поставленной цели требует решения следующих задач:

получения и обобщения экспериментальных данных о возможностях проведения процесса обработки низковязких полимеров в условиях автоколебаний; разработки обобщающих параметров внешнего энергетического воздействия на материалы и методов их расчета применительно к автоколебательному режиму работы РПА; совершенствования существующих технологий получения и модифицирования полимеров в РПА.

1.3 Научная новизна. Установлены особенности структуры и гидродинамики потоков низковязких полимеров при обработке в РПА, свидетельствующие о возможности применения данных аппаратов в качестве гидромеханических колебательных систем: при определенных условиях в лобовой и кормовой зонах зуба аппарата образуются вихри с их последующим двухсторонним срывом, сопровождающимся пульсацией давления на выходе из аппарата.

Показано, что: по мере увеличения вязкости обрабатываемых сред вторичные гармонические колебания нивелируются и доминирующими являются первичные процессы пульсации динамического давления и вихреобразования; для перехода к режиму автоколебаний требуются более высокие скорости вращения ротора, уменьшение характерного размера- зазора между ротором и статором или увеличение числа прорезей на роторе и статоре.

Предложен обобщающий параметр внешнего энергетического воздействия при работе РПА в условиях автоколебаний, представляющий, комбинацию критериев Рейнольдса и Струхаля и характеризующий условия, при которых в вязкой жидкости может наступить автоколебательный процесс. Это позволяет рассчитывать технологические режимы работы и конструктивные параметры РПА.

1.4 Практическая ценность исследования. Предложены пути интенсификации существующих технологий получения и модифицирования композиций в РПА, сопровождающихся физическими (получение дисперсий антиоксидантов, приготовление искусственных латексов) и химическими ( модифицирование эпоксидных смол низкомолекулярными карбоксилсодержащими каучуками, модифицирование цис- 1,4 полиизопрена солью n-паранитрозодифениламина) превращениями.

Усовершенствованные технологии внедрены на ЗАО «АРМАТЭК» при приготовлении искусственных латексов и компаундов на основе эпоксидных смол с низкомолекулярными карбоксилатными каучуками .

1.5 Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 3-х статьях и тезисах 2-х докладов. Основные результаты работы доложены на IV и V международных конгрессах химических технологий (2003, 2004 г.), С.Петербург; секции полимерных композиционных материалов ВХО им. Д.И.Менделеева (2006 г.), С.Петербург.

1.6 Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения и содержит _134_ страниц машинописного текста, _24_ рисунка, _9_ таблиц.

1.7 Автор защищает. Представления о процессе получения полимерных композиционных материалов в РПА в режиме автоколебаний (структура и гидродинамика потоков, обобщающие параметры процесса и методы их количественного описания); усовершенствованные технологии получения и модифицирования полимерных композиционных материалов в условиях автоколебаний в РПА.


2 Методические вопросы экспериментального исследования


Объекты исследования, использованные в работе, подразделялись на две группы: модельные составы для изучения механизма процесса обработки вязких сред в РПА; материалы, необходимые для разработки технологий получения и модифицирования полимерных композиций различного назначения. Модельные составы включали: среды для визуального изучения структуры потоков и среды для исследования гидродинамики потоков в РПА.

Для визуального изучения структуры потоков использовали прозрачные модельные составы: воду дистиллированную и растворы полиакриловой кислоты в воде, водно-спиртовые растворы, а также состав, содержащий эпоксидную смолу ЭД- 20 и полиэфирную смолу МГФ-9,6, в котором стандартный отвердитель ПЭПА был заменен на низкореакционный триэтаноламин.

Для выявления характера поля скоростей движущихся в потоке смешиваемого материала частиц в модельные составы вводили трассер (просеянные частицы алюминия размером 5-6 мкм в количестве 0,5%), что не влияло на реологические свойства среды.

Для исследования гидродинамики потоков в РПА использовали глицерин и водноглицериновые растворы различной вязкости (до 0, 545 Па.с), растворы СКИ-3 II гр. пластичности в трансформаторном масле с 0,2% антиокислительной присадки.

Материалы, необходимые для разработки технологии приготовления и модифицирования композиций различного состава включали:

А) Материалы для получения дисперсий антиоксидантов.Использовали водный раствор биоразлагаемого и нетоксичного ПАВ с массовой концентрацией 0,5-10%, выбранного из ряда неиногенных оксиэтилированных спиртов, анионактивных карбоновых кислот и сульфоновых кислот (массовая концентрация взвеси антиоксиданта составляла 1-20%. В качестве антиоксидантов были использованы обычно применяемые для стабилизации каучуков: неозон Д (фенил-β-нафтиламин), ДФФД (дифенил-парафенилендиамин), ионол (4-метил-2,6-ди-трет-бутилфенол). Изучены и другие марки антиоксидантов.

Б) Материалы для приготовления искусственных латексов.Объектами исследования являлись водные растворы каучука СКИ-3 концентрацией 10-14%.

В) Материалы для получения композиций на основе эпоксидных смол с низкомолекулярными карбоксилсодержащими каучуками: композиции на основе эпоксидного олигомера (олигоэфирэпоксида) с жидкими каучуками с концевыми карбоксильными группами (бутадиен-нитрильный и бутадиеновый); эпоксидного олигомера и жидкого бутадиен-нитрильного каучука с концевыми карбоксильными группами, разбавленные фурфурилглицидиловым эфиром.

Г) Материалы для модифицирования каучука: растворы цис-1,4- полиизопрена в гексане различной концентрации, натриевая соль n- нитрозодифениламина (ПНДФА) в гексане различных концентрации, фосфорная кислота марки А, Б.

Анализ структуры проводили на установке, в систему измерения которой попеременно помещали прозрачные статический и роторный смесители.

Исследования закономерностей гидродинамики автоколебательного процесса в РПА проводили путем измерения пульсационного давления на выходе из статора, находящегося на внешней стороне ротора. В исследованиях по получению и модифицированию композиций использовали установки, разработанные автором, а также установки, созданные ранее на кафедре «Оборудование и робототехника переработки пластмасс» СПГТИ (ТУ) и в ФГУП «НИИ синтетического каучука им. С.В.Лебедева». Данные установки были модернизированы путем замены основного рабочего органа на РПА, совмещенного со статическим смесителем.

Измерение реологических характеристик полимеров проводили на ротационном вискозиметре «Реотест-2».

Для исследования физических и химических превращений в полимерах и анализа получаемых композиций применяли следующие методы.

Дисперсии антиоксидантов. Качество получаемых композиций оценивали оптическим методом, фиксируя динамику оседания антиоксиданта (неозона) из суспензии, число и размер частиц в поле зрения микроскопа, а также по скорости окисления образцов каучука с введенным антиоксидантом (по уменьшению характеристической вязкости за 1мин).

Искусственные латексы. Качество латексов оценивали оптическим методом, определяя размер частиц каучука и их число в поле зрения микроскопа.

Эпоксикаучуковые композиции. Структуру неотвержденных смесей олигомеров изучали с помощью оптической, а структуру отвержденных композиций ― электронной микроскопии (РЭМ-100, ВS-500).Химические и физические превращения между компонентами оценивали следующим образом: наличие химических связей между функциональными группами каучука и эпоксидного олигомера ― методом ИК- спектроскопии, расход функциональных групп эпоксидного олигомера ― обратным кислотно-основным титрованием , кинетику отверждения композиций путем определения температурного эффекта отверждения.

Каучуковые композиции. Изучение физико-химических превращений в полиизопрене в процессе его модифицирования ПНДФА осуществляли на УФ- спектрофотометре.

Физико-механические и эксплуатационные свойства композиций определяли в соответствии с существующими ГОСТами ( 270-75, 14760-91, 10722-89, 19338-90, 19816 4.-89, 27109-86).


3 Теоретические основы процесса активирующего смешения в

условиях автоколебаний в РПА


3.1 Структура потоков. Статические смесители. Увеличение межфазовой поверхности смешиваемых компонентов происходит в ходе последовательного уменьшения толщины ламинарного потока одного компонента в среде другого с его последующим распадом на капли.

Увеличение межфазовой поверхности компонентов осуществляется при прохождении ими смесительных элементов под действием деформации сдвига, развивающейся в каналах, а гомогенизация смеси ― за счет постоянной переориентации и деления потоков. Для рассматриваемых систем максимально возможная степень смешения достигается при прохождении материалом 20-25 смесительных элементов и полностью удовлетворяет требованиям однородности.

Роторно-пульсационные аппараты. Для исследованных низковязких композиций (также как для воды и вводно-спиртовых растворов) наблюдается образование вихрей в лобовой и кормовой зонах зуба. Данные вихри существуют сравнительно непродолжительное время, после чего происходит их двухсторонний срыв. В момент срыва вихрей наблюдалась пульсация давления на выходе из РПА. По мере увеличения вязкости материала для образования вихрей (поддержания автоколебательного процесса) необходимо увеличивать скорость вращения роторов, число прорезей на роторе и статоре или уменьшать величину зазора между ротором и статором.

С ростом вязкости обрабатываемых материалов наблюдалось вытягивание вихрей перед их срывом (вихри приобретали эллипсовидную форму) и отрыв их от поверхности кормовой и лобовой зонах формы зуба происходил за более длительное время, чем в случае воды или водно- спиртовых растворов .

3.2 Гидродинамика потоков. Роторно-пульсационные аппараты.

При определенных условиях в низковязких полимерах возникают пульсации давления и падение потребляемой мощности, что наряду с образованием вихрей является факторами, доказывающими существование автоколебательного процесса. Гидродинамика потоков при обработке низковязких полимеров имеет некоторые особенности, что отличает ее от аналогичных процессов в водной среде.

При работе РПА с водными средами имеется широкополюсное воздействие поля давлений, интегральный состав которого определяется суммарным влиянием нескольких колебательных процессов. Помимо основной частоты в спектре присутствуют гармонические колебания с частотой, кратной основной. При работе РПА полимерными средами по мере увеличения их вязкости вторичные гармонические колебания нивелируются по мере увеличения вязкости, и доминирующими являются первичные процессы пульсации динамического давления и вихреобразования.

Автоколебательный процесс действует на величину давления двояким образом. С одной стороны, он улучшает условия срыва вихрей. При этом движущиеся вместе вихри уменьшают среднюю скорость потока жидкости, т.к. скорость движения потока вихрей составляет для воды 0,23 от скорости основного потока. В случае низковязких сред величина скорости уменьшается пропорционально увеличению вязкости материала.


3.3 Количественное описание процесса.

Наиболее важным вопросом является определение конструктивных и технологических режимов работы аппарата, при которых возникают условия для регулируемого колебательного процесса. Автоколебания в РПА являются нестационарными гидромеханическими процессами и относятся к сложным физическим явлениям, описать которые можно только с помощью системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. При этом граничные условия, необходимые для решения этих уравнений, чаще всего пред­ставлены также дифференциальными уравнениями. Для практических приложений целесообразно создание простых моделей движения обрабатываемых сред, которые отражали бы наиболее су­щественные особенности физической картины процесса ( критериальный подход). При создании таких моделей были использованы результаты исследования структуры и гидродинамики потоков, представленные выше.

Прежде всего, установим, какие критерии подобия необходимо принимать во внимание при анализе автоколебательного процесса в РПА.

Основными критериями подобия в гидроаэродинамике, к которой относится данный процесс, являются критерий Рейнольдса (Re) , Фруда, Струхаля (St) и Маха. При определении технологических и конструктивных параметров РПА, необходимых для поддержания в обрабатываемом материале режима автоколебаний, требуется учет, по крайней мере двух критериев ― Re и St .

Для критерия Re (Re = U·l /ν, где U- характерная скорость жидкости, l- характерный линейный размер, ν- кинематическая вязкость жидкости) характерным линейным размером будет являться диаметр ротора D_p , а характерной скоростью ― средняя скорость движения жидкости в зазоре между зубьями ротора и статора. С определенными допущениями принимаем U = 0,5 π·D_p·n_p .Тогда Re = 0,5· π·D_p²· n_p · ρ / μ .Полученное выражение является так называемым центробежным критерием Re .

Критерий St ( St = V·T/ L, где V― характерная скорость T― характерный интервал времени, например, для периодических движений Т ― период, L ― характерный размер) имеет иные характерные параметры. Для условий свободной турбулентности V = (V_max- V_min) l ~ b. Здесь V_max -V _min – максимальная разность осредненных скоростей в рассматриваемом сечении, b ― ширина зоны перемешивания. Примем (V_max- V_min) = 1/2ωR, а также b равным зазору между ротором и статором h.

Пульсации динамического давления возникают при периодическом перекрытии прорезей статора зубьями ротора. Основная частота этих пульсаций будет F = Z_p· n, где n ― число оборотов ротора, об/мин; Z_p― число зубьев ротора.

Образование вихрей обусловлено резким изменением скорости и соответственно давления при выходе жидкости из зазора между зубьями ротора и статора в прорези. При этом происходит отрыв пограничного слоя с одновременным образованием вихрей, что порождает импульс давлений. Частота этого процесса прямо пропорциональна средней скорости потока в зазоре между цилиндрами и обратно пропорциональна характеристическому линейному размеру ― зазору между ротором и статором h.

Период вихреобразования определяется из зависимости 1/ Т_в= f _в = к· St· V/ h. ( здесь к=1 – номер гармоники).Примем за характерный период время вихреобразования 1/Т_в= f = 1/ Z_k n_p..

Тогда критерий St c учетом ω= πn/ 30 можно записать в виде St = π /120 · ( D_p/ h Z_k ).

Введем новый параметр― отношение критериев Re и St ВТ = Re/ St, который можно записать как ВТ = [ 0,5· π D_p²· n_p · ρ / μ ]/[ π /120 · ( D_p/ h Z_k )] .После преобразования получим некую безразмерную величину ВТ = 60D_p· n_p· h·Z_k..

Проанализируем полученный параметр. В него входит произведение числа оборотов n_p на число прорезей Z_k , что является частотой вихреобразования f (или величиной, обратной характерному интервалу времени 1/T); произведение диаметра ротора D_p на величину минимального зазора между ротором и статором h (характерный размер Н) и отношение плотности жидкости ρ к ее вязкости μ (величина обратная кинематической вязкости ν), таким образом

ВТ = 60·1/Т· Н·1/ ν

Данный параметр характеризует условия, при которых в вязкой жидкости, обрабатываемой в РПА, может наступить автоколебательный процесс. Зная условия, при которых данный процесс наступает в идеальной жидкости, можно ввести поправку на вязкость реальной среды и рассчитать все необходимые технологические и конструктивные параметры работы РПА.


4 Технологии получения и модифицирования низковязких полимерных композиций в роторно-пульсационных аппаратах в режиме автоколебаний

4.1 Процессы получения композиций, сопровождающиеся физическими превращениями.

А) Получение дисперсий антиоксидантов. Дисперсии антиоксидантов применяются для стабилизации синтетических каучуков различного назначения. Ранее для повышения стабильности дисперсий антиоксидантов в процессе их приготовления применялся РПА в качестве смесителя-диспергатора. Было установлено, что процесс диспергирования агломератов антиоксиданта в водном растворе в РПА проходит значительно эффективнее при работе аппаратов в режиме автоколебаний (табл.1).


Таблица 1 - Преимущества метода автоколебаний по сравнению с обычной обработкой в РПА при получении дисперсий антиоксидантов

Материал	Преимущества метода автоколебаний	Способ оценки качества полученных материалов
Дисперсия неозона Д в 5% водном растворе алкилнафталинсульфоната (концентрация неозона Д- 15%) с последующим введением в латекс каучука СКС-30 .	Более тонкое измельчение и распределение в полимере. Рост производительности процесса на 30%	По концентрации неозона Д (сокращение его оседания из латекса).
Дисперсия ионола 1% в 3,5 % растворе натриевой соли синтетических жирных кислот фракции С8- С14 с последующим введением в латекс полимера СКС-30.	Повышение гомогености смеси на 25-30%.	По концентрации ионола в каучуке.
Дисперсия смеси неозона Д и ДФФД в 5% растворе стеарата калия (ДФФД : неозон Д - 3:5) с последующим введением в СКИ-3.	Увеличение гомогенности распределения антиоксиданта в каучуке на 20%.	По скорости окисления образцов каучука (по уменьшению характеристической вязкости в 1 мин).
Дисперсия неозона Д массовой концентрации 2% в 5% растворе ПАВ ОС-40 (оксиэтилированный спирт фракции С10) .	Увеличение времени расслоения смеси в среднем в 5 раз.	Оптический метод
Дисперсия ДФФД массовой концентрации 20% в 8% водном растворе олеата натрия.	То же в 3 раза	То же
Дисперсии неозона Д в 5% водном растворе алкилнафталинсульфоната (концентрация неозона Д 15%) с последующей стабилизацией каучука СКИ-3, полученного в растворе.	Увеличение гомогенности распределения антиоксиданта в каучуке на 30%.	По концентрации неозона Д.
Дисперсия неозона Д в водном 3% растворе смеси фракций алкиларилатсульфонатов алкилсульфонатов.	Увеличение срока расслоения смеси в 2 раза.	Оптический метод

Во всех случаях потребление мощности сокращалось на 20-30%.

Б) Получение искусственных латексов. Рассмотрим технологический процесс получения искусственного латекса СКИ-3. Данный латекс широко применяется для замены натурального латекса в процессах производства пенорезины и других изделий. Наиболее ответственной стадией, определяющей возможность получения латекса СКИ-3 высокого качества, является эмульгирование полимеризата каучука СКИ-3 в водной среде. Ввиду того, что вязкость раствора полимера невысока (концентрация каучука в водном растворе эмульгатора 10-14%) создание требуемых напряжений сдвига в системе на обычном оборудовании представляет серьезную проблему. Ранее решение данной проблемы было осуществлено с помощью РПА.

В реальных производственных условиях действие высоких напряжений сдвига на начальных стадиях эмульгирования приводит к механодеструкции каучука. Поэтому процесс ведут в две стадии: при малых напряжениях сдвига (аппарат с мешалкой, струйный смеситель, гребенчатый смеситель). Использование РПА, включающего статический смеситель, позволило существенно упростить технологическую схему и повысить качество продукта. По своей гомогенизирующей способности статический смеситель с винтовыми элементами может заменить мешалку, струйный и гребенчатый смеситель. В то же время напряжения сдвига, развиваемые в материале, будут чрезвычайно низкими.

При обработке материала в статическом смесителе получаются эмульсии с размером капель 20-50 мкм (при использовании традиционной схемы размеры капель составляют 20-100 мкм).

Более тонкое эмульгирование осуществляется в роторной части РПА. В традиционной схеме добиться требуемого качества эмульгирования удавалось только при 5-6 кратной рециркуляции обрабатываемого потока.

Обработка материала в автоколебательном режиме также не позволяет полностью исключить операцию рециркуляции. Однако кратность рециркуляции может быть сокращена до 2-х.

4.2 Процессы получения и модифицирования композиций, сопровождающиеся физико-химическими превращениями.

А) Модифицирование эпоксидных смол низкомолекулярными карбоксилсодержащими каучуками. На первом этапе была изучена возможность получения устойчивых эпоксикаучуковых систем в РПА в режиме автоколебаний. Наиболее устойчивые системы были получены, естественно, на смесях с одинаковым соотношением компонентов. Если при трехкратной обработке смеси СКН-10 КТР: ЭД-20 (1:1) в РПА в ламинарном и переходном режимах была получена система, не расслаивающаяся в течение 14 суток, то при обработка в РПА в условиях автоколебательного процесса за один проход через зону обработки была получена композиция, не расслаивающаяся в течение 20 суток.

Второй этап исследования механического воздействия на эпоксикаучуковые композиции был связан с проверкой изменений, которые вносит автоколебательный процесс в проведение химической реакции между функциональными группами смешиваемых олигомеров. Если на первом этапе исследования была получена гомогенная система, устойчивая во времени, а, следовательно, созданы наиболее благоприятные условия для взаимодействия групп друг с другом, то «ужесточив» условия перемешивания, удалось добиться химического взаимодействия между компонентами за более короткий срок. Если при обработке в обычном РПА в турбулентном режиме протекание химического взаимодействия наступало только при шестикратном пропуске через рабочую зону смесителя, то в автоколебательном режиме такое взаимодействие происходило уже после первого пропуска. В табл. 2 приведены сведения о физико-механических и эксплуатационных показателей смесей.


Таблица 2 - Физико-механические и эксплуатационные показатели композиций, полученных различными способами

Показатели свойств	Показатели свойств	Продукт после обработки в РПА (6 пропусков)	Продукт после обработки в РПА со статическим смесителем в автоколебательном режиме
Прочность при разрыве σр, МПа	4,3	14,0	16,0
Относительное удлинение ε, %	10,2	66,1	66,6
Адгезионная прочность σад, МПа	4,0	12,2	14,8

Подобное улучшение свойств композиций объясняется следующим. В автоколебательном режиме в РПА со статическим смесителем происходят те же физико-химические процессы, что и в обычном аппарате. В то же время благодаря предварительному смешению компонентов в статическом смесителе и ведению процесса в автоколебательном режиме дисперсность одного компонента в среде другого и общая гомогенность полученной смеси значительно выше. Это приводит к уменьшению разброса анализируемых показателей физико-механических и эксплуатационных характеристик, и, в конечном счете, их возрастанию после статистической обработки полученных данных. Кроме того, наблюдалось падение потребляемой смесителем мощности по сравнению с традиционным процессом в РПА в среднем на 20-25%.

Б) Модифицирование каучуков в растворе. Особое значение автоколебательный процесс в РПА может играть в процессах химического модифицирования каучуков на стадии получения полимера. Примером такой системы является раствор изопренового каучука СКИ-3 в гексане в смеси с натриевой солью n- нитрозодифениламина. Процесс модифицирования, проводимый ранее в аппаратах с мешалками, отличался большой длительностью. Применение РПА, работающего в обычном режиме, позволило сократить время процесса в 3-5 раз.

В ходе экспериментального исследования определяли процентное содержание свободного и связанного ПНДФА в растворах, подвергнутых обработке РПА в обычном режиме и режиме автоколебаний (через 1, 3 и 5 часов пребывания раствора в реакторе). Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что обработка системы в режиме автоколебаний приводит к интенсификации процесса химического модифицирования в среднем на 25-30%, что позволяет при той же глубине протекания реакции сократить время процесса.


Выводы

1.Установлены особенности структуры и гидродинамики потоков низковязких полимеров при обработке в РПА, свидетельствующие о возможности применения данных аппаратов в качестве гидромеханических колебательных систем. Показано, что при определенных условиях в лобовой и кормовой зонах зуба аппарата образуются вихри с их последующим двухсторонним срывом, сопровождающимся пульсацией давления на выходе из аппарата; по мере увеличения вязкости сред вторичные гармонические колебания нивелируются и доминирующими являются первичные процессы пульсации динамического давления и вихреобразования.

2. Показано, что по мере увеличения вязкости обрабатываемых сред для перехода к режиму автоколебаний требуются более высокие скорости вращения ротора, уменьшение характерного размера- зазора между ротором и статором или увеличение числа прорезей на роторе и статоре.

3. Предложен параметр внешнего энергетического воздействия при работе РПА в условиях автоколебаний, представляющий, комбинацию критериев Рейнольдса и Струхаля и характеризующий условия, при которых в вязкой жидкости может наступить автоколебательный процесс. Это позволяет рассчитывать технологические режимы и конструктивные параметры работы РПА.

4. Предложены пути интенсификации существующих способов получения и модифицирования композиций, сопровождающихся физическими, превращениями:

- технология получения дисперсий антиоксидантов, обеспечивающая более тонкое измельчение и распределение антиоксиданта в полимере в среднем на 15-20%, увеличение времени расслоения смеси в 2-5 раз;

- технология приготовления искусственных латексов СКИ-3, обеспечивающая более тонкое эмульгирование полимера и сокращение времени цикла в 2-3 раза.

5. Предложены пути интенсификации существующих способов получения и модифицирования композиций, сопровождающихся химическими, превращениями:

-технология модифицирования эпоксидных смол низкомолекулярными карбоксилсодержащими каучуками, позволяющая повысить гомогенность смесей и их эксплуатационные показатели в среднем на 15%.

-технология модифицирования цис- 1,4 полиизопрена солью n-паранитрозодифениламина, позволяющая при той же глубине протекания реакции сократить время процесса в среднем на 25-30%.

6. Разработанные технологии нашли практическую реализацию при приготовлении искусственных латексов и компаундов на основе эпоксидных смол с низкомолекулярными карбоксилатными каучуками на ЗАО «АРМАТЭК».

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Туболкин А.Е., Бритов В.П., Богданов В.В. Активирующее смешение в технологии полимерных композиционных материалов.// Материалы IV Международного конгресса химических технологий. Санкт-Петербург.- 2003.- С. 53;

2. Активирующее смешение в процессах получения и модифицирования полимерных композиционных материалов./ В.П. Бритов, В.В.Богданов, О.О.Николаев, А.Е. Туболкин // Журнал прикладной химии.- 2004.- т. 77.- вып. 1. -С 122-127;

3. Активирующее смешение в процессах модифицирования каучуков в растворе /Б.Л. Смирнов, А.Е. Туболкин, В.П. Бритов, О.О. Николаев, В.В. Богданов // Журнал прикладной химии.- 2004.- т. 77. -вып. 3.- С. 499-502;

4. Получение композиций эпоксидных смол с низкомолекулярными карбоксилсодержащими каучуками методом активирующего смешения / В.П.Бритов, В.В.Богданов, О.О.Николаев, А.Е. Туболкин, Т.М.Лебедева //Журнал прикладной химии. -2004.- т. 74.- вып. 4. -С. 637-642;

5. Механохимические и структурные превращения в условиях активирующего смешения полимеров / А.Е. Туболкин, В.П. Бритов, В.В.Богданов, Т.М.Лебедева // Материалы V Международного конгресса химических технологий. Санкт-Петербург.- 2004.- С. 59- 60.