Интеграл 2/2022

Posted by adminwp
Посмотреть текст статьиСкачать

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСТРУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

THE MODELLING OF EXTRUSION MELT PROCESSES FOR POLYMER COMPOSITES

 

Стефанович Максим Андреевич, студент магистратуры кафедры «Автоматика и телемеханика», ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» (346400 Россия, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132), начальник производственного участка терморасширяющейся ленты уплотнительной на полимерной основе АО «Унихимтек», (142181, обл. Московская, г. Подольск, ул. Заводская (Климовск Мкр. ), 2 корп. 121),  +7(989) 712-55-13, e-mail: maxsteff@ya.ru

Губачев Владимир Анатольевич, к.э.н, доцент, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» (346400 Россия, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132), +7(928) 604-27-38, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1964-5816, e-mail: gva-ngma@mail.ru

Толстов Александр Михайлович, научный сотрудник лаборатории огнезащитных материалов АО «Унихимтек», (142181, обл. Московская, г. Подольск, ул. Заводская (Климовск Мкр.), 2 корп. 121),  +7(989) 712-55-13, e-mail: Tolstov.a@ograx.ru

 

Stefanovich Maxim Andreevich, Master’s student, Department of «Automatic equipment and telemechanics», South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platova (346400 Russia, Rostov region, Novocherkassk, Prosveshcheniya st., 132, Novocherkassk), head of the production site of a thermally expanding polymer-based sealing tape at JSC «Unihimtek», (142181, Russia, Moscow region, Podolsk, Zavodskaya st. (Klimovsk Mkr.), 2 building 121), +7(989) 712-55-13, e-mail: maxsteff@ya.ru

Gubachev Vladimir Anatolyevich, PhD Econ., associate professor, associate professor «Automatic equipment and telemechanics» FGBOOU WAUGH «Southern Russian state polytechnical university (NPI) name of M.I. Platov», (346400 Russia, Rostov region, Novocherkassk, Prosveshcheniya st., 132, Novocherkassk) +7(928) 604-27-38, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1964-5816, e-mail: gva-ngma@mail.ru

Tolstov Alexander Mikhailovich, researcher of the laboratory of flame retardant materials of JSC «Unihimtek», (142181, Moscow region, Podolsk, Zavodskaya St. (Klimovsk Mkr.), 2 building 121), +7(989) 712-55-13, e-mail:Tolstov.a@ograx.ru

Аннотация

В статье рассматриваются современные методы моделирования экструзионных процессов в отраслях промышленности нацеленных на создание передовых решений. Хоть экструзия и используется с тридцатых годов XX века, промышленность требует все более развитых технологий и глубоких познаний в области применения пластмасс, пищевой и фармацевтической промышленности. Однако, до сих пор имеется только ограниченная информация об аналитических вычислениях в области экструзии. Как правило, производство исполняется на основе эмпирического опыта и методов проб и ошибок. Тем не менее современные технологии позволяют развивать промышленные операции на порядок лучше и быстрее, благодаря моделированию соответствующих процессов, где экструзионный поток расплавов полимеров и волокон уже был подвергнут предварительным исследованиям.

Это исследование направлено на представление интегрированных глобальных моделей для математического моделирования процесса экструзии с использованием многофазных материалов, в которых необходимо учитываются коэффициент заполнения, поля давления, температурные поля и состояние плавления, а также скорость подачи в условиях затопления. Результаты этого исследования могут быть использованы для определения областей, требующих разработки, и для повышения производительности процесса экструзии.

S u m m a r y

The article discusses modern methods for modeling extrusion processes in industry, including the creation of advanced solutions. Although extrusion has been in use since the 1930s, the industry requires more and more extensive technology and application knowledge in the areas of plastics, carbohydrates and the pharmaceutical industry. However, there is so far only limited information on the identified needs in the field of extrusion. As a rule, production is based on empirical experience and trial-and-error methods. However, modern technologies allow the development of industrial operations an order better and faster, thanks to the appropriate modelling of processes, where the extrusion flow of polymer melts and outcomes has already been preliminary research.

This review is aimed at presenting integrated global models for mathematical modeling of the extrusion process using multiphase materials, in which the filling coefficient, pressure fields, temperature fields and melting condition, as well as the feed rate under flooding conditions. The results of this study can be used to determine areas requiring development, and to increase the performance of the extrusion process.

Ключевые слова: экструзия, моделирование, полимеры, композиты.

Keywords: extrusion, modelling, polymers, composites.

Список использованных источников

  1. Chokshi, R.; Zia, H. Hot-Melt Extrusion Technique: A Review. Iran. J. Pharm. Res. 2004, 3.
  2. Sakai, T. Screw extrusion technology—Past, present and future. Polimery/Polymers 2013,58.
  3. Leistritz, P.; Burghauser, F. German Patent 699 757 1940. Ger. Pat. 1939, 682, 787.
  4. Cope, C.W. Polymer and Wood Flour Composite Extrusion. U.S. Patent 5,847,016, 8 December1998.
  5. Lewandowski, A.; Wilczy´nski, K.; Wilczy´nski, K.J.; Nastaj, A. A composite model for an intermeshing counter-rotating twin-screw extruder and its experimental verifi Polym. Eng. Sci. 2015, 55, 2838–2848.[Перекрёстная ссылка]
  6. Wilczy´nski, K.; Nastaj, A.; Wilczy´nski, K.J. Melting model for starve fed single screw extrusion ofthermoplastics. Int. Polym. Process. 2013, 28, 34–42. [Перекрёстная ссылка]
  7. Altinkaynak, A.; Gupta, M.; Spalding, M.A.; Crabtree, S.L. An investigation of the effect of screw geometry on melting in a single-screw extruder. In Proceedings of the Annual Technical Conference—ANTEC, ConferenceProceedings, Orlando, FL, USA, 16–20 May 2010. Polymers 2020, 12, 1306 12 of 14
  8. Tadmor, Z. Fundamentals of plasticating extrusion. I. A theoretical model for melting. Polym. Eng. Sci. 1966,6, 185–190. [Перекрёстная ссылка]
  9. Wilczy´nski, K.; Nastaj, A.; Lewandowski, A.; Wilczy´nski, K.J. Multipurpose Computer Model for ScrewProcessing of Plastics. Polym. Plast. Technol. Eng. 2012, 51, 626–633. [Перекрёстная ссылка]
  10. Baronsky-Probst, J.; Möltgen, C.V.; Kessler, W.; Kessler, R.W. Process design and control of a twin screw hotmelt extrusion for continuous pharmaceutical tamper-resistant tablet production. Eur. J. Pharm. Sci. 2016, 87,14–21. [Перекрёстная ссылка]
  11. Laske, S.; Witschnigg, A.; Selvasankar, R.K.; Holzer, C. Measuring the residence time distribution in a twinscrew extruder with the use of NIR-spectroscopy. J. Appl. Polym. Sci. 2014, 131. [Перекрёстная ссылка]
  12. Lewandowski, A. Closely Intermeshing Counter-Rotating Twin Screw Extrusion of Polymers. Chall. Mod. Technol. 2011, 2, 36–40.
  13. Jiang, Q.; Yang, J.; White, J.L. Simulation of screw pumping characteristics for intermeshing counter-rotatingtwin screw extruders. Polym. Eng. Sci. 2011, 51, 37–42. [Перекрёстная ссылка]
  14. Shah, A.; Gupta, M. Comparision of the flow in co-rotating and counter-rotating twin-screw extruders.
  15. In Proceedings of the Annual Technical Conference—ANTEC, Conference Proceedings, Chicago, IL, USA,16–20 May 2004.
  16. Senanayake, S.A.M.A.N.S.; Clarke, B. A Simplified twin screw co-rotating food extruder: Design, fabricationand testing. J. Food Eng. 1999, 40, 129–137. [Перекрёстная ссылка]
  17. Christiano, J.P. Examination of the performance of a high speed single screw extruder for several different extrusion applications. In Proceedings of the Annual Technical Conference—ANTEC, ConferenceProceedings, Orlando, FL, USA, 2–4 April 2012.
  18. Lebaal, N. Robust low cost meta-modeling optimization algorithm based on meta-heuristic and knowledge databases approach: Application to polymer extrusion die design. Finite Elem. Anal. Des. 2019, 162, 51–66.[Перекрёстная ссылка]
  19. Giles, H.F.; Wagner, J.R.; Mount, E.M. Extrusion: The definitive Processing Guide and Handbook; William Andrew Inc.: Norwich, NY, USA, 2005; ISBN 0815514735.
  20. Kostic, M.M.; Reifschneider, L.G. Design of Extrusion Dies. In Encyclopedia of Chemical Processing;
  21. Taylor & Francis: Oxfordshire, UK, 2006; pp. 633–649.
  22. Sakai, T.; Hashimoto, N.; Kobayashi, N. Experimental comparison between counter-rotation and co-rotationon the twin screw extrusion performance. In Proceedings of the Annual Technical Conference—Society ofPlastics Engineers, Los Angeles, CA, USA, 4–7 May 1987.
  23. White, J.L.; Kim, E.K. Twin Screw Extrusion: Technology and Principles; Hanser Publications: Cincinnati, OH, USA, 1991.
  24. Padmanabhan, B. Understanding the Extruder Processing Zone: The heart of a twin screw extruder. Plast. Addit. Compd. 2008, 10, 30–35. [Перекрёстная ссылка]
  25. Janssen, L.P.B.M.; Hollander, R.W.; Spoor, M.W.; Smith, J.M. Residence time distributions in a plasticating twin screw extruder. AIChE J. 1979, 25, 345–351. [Перекрёстная ссылка]
  26. Rauwendaal, C. Polymer Extrusion: Fifth Edition; Carl Hanser Verlag GmbH Co KG: Munich, Germany, 2014; ISBN 9781569905166.
  27. Wolf, D.; Holin, N.; White, D.H. Residence time distribution in a commercial twin-screw extruder. Polym. Eng. Sci. 1986, 26, 640–646. [Перекрёстная ссылка]
  28. Shon, K.; Chang, D.; White, J.L. A Comparative Study of Residence Time Distributions in a Kneader, Continuous Mixer, and Modular Intermeshing Co-Rotating and Counter-Rotating Twin Screw Extruders. Int. Polym. Process. 1999, 14, 44–50. [Перекрёстная ссылка]
  29. Oh, S.I.; Wu, W.T.; Tang, J.P. Simulations of cold forging processes by the DEFORM system. J. Mater. Process. Technol. 1992, 35, 357–370. [Перекрёстная ссылка]
  30. Thompson, M.R.; Sun, J. Wet granulation in a twin-screw extruder: Implications of screw design. J. Pharm. Sci. 2010, 99, 2090–2103. [Перекрёстная ссылка]
  31. Sui, G.; Fuqua, M.A.; Ulven, C.A.; Zhong, W.H. A plant fiber reinforced polymer composite prepared by atwin-screw extruder. Bioresour. Technol. 2009, 100, 1246–1251. [Перекрёстная ссылка]
  32. Hausnerova, B.; Honkova, N.; Lengalova, A.; Kitano, T.; Saha, P. Rheology and fiber degradation duringshear flow of carbon-fiber-reinforced polypropylenes. Polym. Sci. Ser. A 2006, 48, 951–960. [Перекрёстная ссылка] Polymers 2020, 12, 1306 13 of 14
  33. Kye, H.; White, J.L. Simulation of continuous polymerization in a modular intermeshing co-rotating twin screw extruder: Application to caprolactam conversion to polyamide 6. Int. Polym. Process. 1996, 11, 129–138.[Перекрёстная ссылка]
  34. White, J.L.; Chen, Z. Simulation of non-isothermal flow in modular co-rotating twin screw extrusion.Polym. Eng. Sci. 1994, 34, 229–237. [Перекрёстная ссылка]
  35. Chen, Z.; White, J.L. Simulation of Non-isothermal Flow in Twin Screw Extrusion. Int. Polym. Process. 1994,9, 310–318. [Перекрёстная ссылка]
  36. Bang, D.S.; White, J.L. An improved flow simulation model for a tangential counter-rotating twin screw extruder. Int. Polym. Process. 1996, 11, 109–114. [Перекрёстная ссылка]
  37. Hong, M.H.; White, J.L. Simulation of Flow in an Intermeshing Modular Counter-rotating Twin Screw Extruder: Non-Newtonian and Non-Isothermal Behavior. Int. Polym. Process. 1999, 14, 136–143. [Перекрёстная ссылка]
  38. Yacu, W.A. Modeling a twin screw co-rotating extruder. J. Food Process. Eng. 1985, 8, 1–21. [Перекрёстная ссылка]
  39. Wilczynski, K.; White, J.L. Melting Model for Intermeshing Counter-Rotating Twin-Screw Extruders. Polym. Eng. Sci. 2003, 43, 1715–1726. [Перекрёстная ссылка]
  40. Bawiskar, S.; White, J.L. Solids Conveying and Melting in a Starve Fed Self-wiping Co-rotating Twin Screw Extruder. Int. Polym. Process. 1995, 10, 105–110. [Перекрёстная ссылка]
  41. Redl, A.; Morel, M.H.; Bonicel, J.; Vergnes, B.; Guilbert, S. Extrusion of wheat gluten plasticized with glycerol: Influence of process conditions on flow behavior, rheological properties, and molecular size distribution. Cereal Chem. 1999, 76, 361–370. [Перекрёстная ссылка]
  42. Kim, B.J.; White, J.L. Continuous polymerization of lactam-lactone block copolymers in a twin-screw extruder. J. Appl. Polym. Sci. 2003, 88, 1429–1437. [Перекрёстная ссылка]
  43. Wilczynski, K.; White, J.L. Modeling of twin-screw extrusion. Part I. A model of counter-rotating extrusion. Polimery 2008, 53, 754–759. [Перекрёстная ссылка]
  44. Farahanchi, A.; Sobkowicz, M.J. Kinetic and process modeling of thermal and mechanical degradation inultrahigh speed twin screw extrusion. Polym. Degrad. Stab. 2017, 138, 40–46. [Перекрёстная ссылка]
  45. Ishikawa, T.; Amano, T.; Kihara, S.I.; Funatsu, K. Flow patterns and mixing mechanisms in the screw mixingelement of a co-rotating twin-screw extruder. Polym. Eng. Sci. 2002, 42, 925–939. [Перекрёстная ссылка]
  46. Akdogan, H. Pressure, torque, and energy responses of a twin screw extruder at high moisture contents. Food Res. Int. 1996, 29, 423–429. [Перекрёстная ссылка]
  47. Wilczy ´nski, K.J.; Nastaj, A.; Lewandowski, A.; Wilczy´nski, K. A composite model for starve fed single screwextrusion of thermoplastics. Polym. Eng. Sci. 2014, 54, 2362–2374. [Перекрёстная ссылка]
  48. Breitenbach, J. Melt extrusion: From process to drug delivery technology. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2002, 54,107–117. [Перекрёстная ссылка]
  49. Puaux, J.P.; Bozga, G.; Ainser, A. Residence time distribution in a corotating twin-screw extruder. Chem. Eng. Sci. 2000, 55, 1641–1651. [Перекрёстная ссылка]
  50. Malik, M.; Kalyon, D.M.; Golba, J.C. Simulation of co-rotating twin screw extrusion process subject topressure-dependent wall slip at barrel and screw surfaces: 3D FEM analysis for combinations of forward — and reverse-conveying screw elements. Int. Polym. Process. 2014, 29, 51–62. [Перекрёстная ссылка]
  51. Tagliavini, G.; Solari, F.; Montanari, R. CFD simulation of a co-rotating twin-screw extruder: Validationof a rheological model for a starch-based dough for snack food. In Proceedings of the International FoodOperations and Processing Simulation Workshop, FoodOPS 2016, Larnaca, Cyprus, 26–28 September 2016.
  52. Pearson, J.R.A.; Petrie, C.J.S. The flow of a tubular fi Part 1. Formal mathematical representation.J. FluidMech. 1970, 40, 1–19. [Перекрёстная ссылка]
  53. Pearson, J.R.A.; Petrie, C.J.S. The flow of a tubular film Part 2. Interpretation of the model and discussion ofsolutions. J. Fluid Mech. 1970, 42, 609–625. [Перекрёстная ссылка]
  54. Vlachopoulos, J.; Sidiropoulos, V. Polymer Film Blowing: Modeling. In Reference Module in Materials Scienceand Materials Engineering; Elsevier Ltd.: Amsterdam, The Netherlands, 2017; ISBN 9780080523583.
  55. Wilczy ´nski, K.; Lewandowski, A.; Wilczy ´nski, K.J. Experimental study for starve-fed single screw extrusionof thermoplastics. Polym. Eng. Sci. 2012, 52, 1258–1270. [Перекрёстная ссылка]
  56. Gautam, A.; Choudhury, G.S. Screw configuration effects on residence time distribution and mixing intwin-screw extruders during extrusion of rice fl J. Food Process. Eng. 1999, 22, 263–285. [Перекрёстная ссылка]
  57. Kao, S.V.; Allison, G.R. Residence time distribution in a twin screw extruder. Polym. Eng. Sci. 1984, 24,645–651. [Перекрёстная ссылка]Polymers 2020, 12, 1306 14 of 14
  58. Altomare, R.E.; Ghossi, P. An Analysis of Residence Time Distribution Patterns in A Twin Screw CookingExtruder. Biotechnol. Prog. 1986, 2, 157–163. [Перекрёстная ссылка]
  59. Van Zuilichem, D.J.; Jager, T.; Stolp, W. Residence time distributions in extrusion cooking. Part II: Single-screwextruders processing maize and soya. J. Food Eng. 1988, 7, 197–210. [Перекрёстная ссылка]
  60. Van Zuilichem, D.J.; Jager, T.; Stolp, W.; de Swart, J.G. Residence time distributions in extrusion cooking. Part III: Mathematical modelling of the axial mixing in a conical, counter-rotating, twin-screw extruderprocessing maize grits. J. Food Eng. 1988, 7, 197–210. [Перекрёстная ссылка]
  61. Gogoi, B.K.; Yam, K.L. Relationships between residence time and process variables in a corotating twin-screwextruder. J. Food Eng. 1994, 21, 177–196. [Перекрёстная ссылка]
  62. Bravo, V.L.; Hrymak, A.N.; Wright, J.D. Numerical simulation of pressure and velocity profiles in kneadingelements of a co-rotating twin screw extruder. Polym. Eng. Sci. 2000, 40, 525–541. [Перекрёстная ссылка]
  63. Crowther, B.G. Rubber Extrusion: Theory and Development; Rapra Technology Limited: Akron, OH, USA, 1998.
  64. Gonçalves, N.D.; Teixeira, P.; Ferrás, L.L.; Afonso, A.M.; Nõbrega, J.M.; Carneiro, O.S. Design and optimization of an extrusion die for the production of wood-plastic composite profi Polym. Eng. Sci. 2015, 55, 1849–1855. [Перекрёстная ссылка]
  65. Xianghong, W.; Guoqun, Z.; Yiguo, L.; Xinwu, M. Numerical simulation and die structure optimization of an aluminum rectangular hollow pipe extrusion process. Mater. Sci. Eng. A 2006, 435, 266–274. [Перекрёстная ссылка]
  66. Mount, E., III. Coextrusion equipment for multilayer flat films and sheets. In Multilayer Flexible Packaging, 2nd ed.; Wagner, J.R., Ed.; William Andrew Publishing: Norwich, NY, USA, 2010.
  67. Gupta, M. Three-dimensional simulation of coextrusion in a complex profile die. In Proceedings of the Annual Technical Conference—ANTEC, Conference Proceedings, Orlando, FL, USA, 16–20 May 2010.
  68. Bengtsson, M.; Le Baillif, M.; Oksman, K. Extrusion and mechanical properties of highly filled cellulose fibre-polypropylene composites. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2007, 38, 1922–1931. [Перекрёстная ссылка]
  69. Grande, C.; Torres, F.G. Investigation of fiber organization and damage during single screw extrusion of natural fiber reinforced thermoplastics. Adv. Polym. Technol. 2005, 24, 145–156. [Перекрёстная ссылка]
  70. Bigg, D.M. Effect of compounding on the properties of short fiber reinforced injection moldable thermoplastic composites. Polym. Compos. 1985, 6, 20–28. [Перекрёстная ссылка]
  71. Gunning, M.A.; Geever, L.M.; Killion, J.A.; Lyons, J.G.; Higginbotham, C.L. Mechanical and biodegradation performance of short natural fibre polyhydroxybutyrate composites. Polym. Test. 2013, 32, 1603–1611. [Перекрёстная ссылка]
  72. Ville, J.; Inceoglu, F.; Ghamri, N.; Pradel, J.L.; Durin, A.; Valette, R.; Vergnes, B. A study of fiber breakageduring compounding in a Buss kneader. Int. Polym. Process. 2012, 27, 245–251. [Перекрёстная ссылка]
  73. Ramani, K.; Bank, D.; Kraemer, N. Effect of screw design on fiber damage in extrusion compounding and composite properties. Polym. Compos. 1995, 16, 258–266. [Перекрёстная ссылка]
  74. Albrecht, K.; Osswald, T.; Baur, E.; Meier, T.; Wartzack, S.; Müssig, J. Fibre Length Reduction in Natural Fibre-Reinforced Polymers during Compounding and Injection Moulding—Experiments Versus Numerical Prediction of Fibre Breakage. J. Compos. Sci. 2018, 2, 20. [Перекрёстная ссылка]
  75. Berzin, F.; Beaugrand, J.; Dobosz, S.; Budtova, T.; Vergnes, B. Lignocellulosic fiber breakage in a moltenpolymer. Part 3. Modeling of the dimensional change of the fibers during compounding by twin screw extrusion. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2017, 101, 422–431. [Перекрёстная ссылка]
  76. Zhang, S.; Wang, P.; Tan, L.; Huang, H.; Jiang, G. Relationship between screw structure and properties of recycled glass fiber reinforced flame retardant nylon 46. RSC Adv. 2015, 5, 13296–13306. [Перекрёстная ссылка]
  77. Quijano-Solis, C.; Yan, N.; Zhang, S.Y. Effect of mixing conditions and initial fiber morphology on fiberdimensions after processing. Compos. Part. A Appl. Sci. Manuf. 2009, 40, 351–358. [Перекрёстная ссылка]
  78. Wilczy´nski, K.; Buziak, K.; Wilczy´nski, K.J.; Lewandowski, A.; Nastaj, A. Computer modeling for single-screwextrusion of wood-plastic composites. Polymers (Basel) 2018, 10, 295. [Перекрёстная ссылка]
  79. Abeykoon, C.; Kelly, A.L.; Vera-Sorroche, J.; Brown, E.C.; Coates, P.D.; Deng, J.; Li, K.; Harkin-Jones, E.;Price, M. Process efficiency in polymer extrusion: Correlation between the energy demand and melt thermal stability. Appl. Energy 2014, 135, 560–571. [Перекрёстная ссылка]

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *