УДК 629.11.012.553
, ,
Применение ультразвукового контроля качества при переработке отходов полимеров
При производстве синтетического каучука (СК) наряду с основным продуктом образуется значительная доля отходов, которые по ряду причин [1, 2] не удовлетворяют нормативной документации (НД).
При переработке отходы производства традиционно проходят следующие стадии [3]:
1. анализа качества подготовленного образца сырья с целью определения его показателей качества и степени отклонения от нормативной документации (НД);
2. расчёта режимных параметров для следующих стадий обработки;
3. механодеструкции некондиционного полимера в экструдере, в котором осуществляется так же термодеструкция полимера с целью получения однородного по составу сырья;
4. сушки полимера до заданной влажности;
5. анализа полученного продукта на предмет соответствия НД;
6. расфасовки и упаковки полученного продукта.
В настоящее время на базе в городе Воронеже разработан способ переработки отходов производства СК механо - и термодеструкцией с сушкой [10].
В процессе переработки на степень термодеструкции можно влиять несколькими способами:
1. изменением частоты вращения шнека экструдера, что, в свою очередь, оказывает влияние на время нахождения сырья в экструдере, а, следовательно, и на степень нагрева сырья в процессе экструдирования;
2. изменением температуры горячего воздуха подаваемого на выходящее из головки экструдера сырье.
Поступающие на переработку отходы полимеров весьма неоднородны по составу, поэтому необходимо использование методов экспресс-контроля качества, позволяющих быстро произвести расчет режимных параметров переработки конкретной партии отходов.
Одним из основных показателей качества каучука является прочность. Основные виды статических испытаний производятся на так называемых разрывных машинах. В настоящее время имеется большое число разнообразных типов и моделей разрывных машин. Конструкции их непрерывно совершенствуются. Однако, несмотря на это, они обладают рядом недостатков:
1. Длительность и сложность получения образцов.
2. Как правило, установка обладает относительно большими габаритами и массой, а также требует дополнительных условий при монтаже в лабораторном помещении (виброопоры).
3. Высокая рыночная стоимость.
В качестве альтернативы разрывным машинам был выбран ультразвуковой экспресс-метод определения прочностных характеристик. Он лишен основных недостатков присущих испытаниям на разрывных машинах и при этом обладает рядом преимуществ, таких как:
1. оперативность измерения (несколько секунд);
2. не разрушающий контроль;
3. рыночная стоимость на порядок меньше чем у разрывных машин.
В основе предлагаемого способа экспресс-контроля лежит измерение акустических характеристик сырья (коэффициент поглощения, скорость ультразвука в исследуемом материале).
Распространение ультразвуковых колебаний в веществе определяется его составом, структурой и свойствами на кристаллическом и молекулярном уровне. Поэтому акустические параметры и, в первую очередь, скорость распространения и затухание ультразвука тесно связаны с составом и свойствами вещества, и их определение представляет мощное средство исследования и контроля [5]. Измерение скорости ультразвука заключается в измерении времени пробега τ акустического импульса в исследуемом образце и измерению длины акустического пути l. В этом случае скорость распространения ультразвуковых волн [7]
c = l/τ. (1)
Измерение коэффициента затухания ультразвука в жидкостях и твердых телах может производиться при импульсных и непрерывных ультразвуковых колебаниях. В случае импульсных колебаний прием ультразвуковой волны может осуществляться как отдельным приемником, так и самим излучателем после отражения импульса от отражателя. Коэффициент затухания определяется по формуле [6]:
, (2)
где h – толщина образца, А1, А2 – амплитуды излучателя и приемника соответственно.
Ранее авторами была теоретически обоснована математическая модель для способа ультразвукового контроля условной прочности на разрыв применительно к каучуку СКС [9]. Для расчёта условной прочности на разрыв необходимо использовать выражение [9]:
, (3)
где 
- условная прочность на разрыв; 
- частота колебаний; 
– плотность; 
– константы, зависящие от типа каучука.
Другим немаловажным показателем является молекулярная масса каучука или интегральная характеристика каучука по ГОСТ – вязкость по Муни полимера. В настоящее время наиболее распространенным прибором для измерения вязкости по Муни является сдвиговый ротационный вискозиметр Муни и его модификации [4].
Не смотря на все преимущества, сдвиговые вискозиметры обладают рядом недостатков: как правило, они имеют относительно большие габариты и массу, а также требуют дополнительных условий при монтаже в лабораторном помещении; конструктивно сложны и требуют тщательной наладки; обладают высокой рыночной стоимостью.
В качестве альтернативы этим установкам можно использовать ультразвуковые методы анализа вязкости, т. к. они лишены основных недостатков, присущих испытаниям на сдвиговых ротационных вискозиметрах Муни.
Зависимость, позволяющая связать вязкость по Муни (Mh) полимерной композиции с акустическими свойствами имеет вид[8]:
(4)
где Z1 и Z2 – параметры модели, индивидуальные для каждой марки каучука.
Для экспериментальной проверки полученных зависимостей на базе была разработана установка для оценки физико-механических параметров полимера ультразвуковым способом, которая представляет собой совокупность аппаратных средств (генератор, цифровая приставка-осциллограф с выводом данных на компьютер и пьезокварцевые преобразователи: излучатель и приемник) (рис.1).
Было рассмотрено использование полученных зависимостей на примере каучука марки СКС-30. Отбирались 6 образцов, для которых в лаборатории была определена условная прочность при растяжении и вязкость по Муни.
Далее с помощью разработанной установки (рис. 1) были получены файлы регистрации данных для каждого образца. С использованием разработанного программного обеспечения были определены коэффициент затухания по формуле (2), скорость ультразвука по формуле (1).
После этого определялись параметры зависимостей (3) и (4) с использованием градиентного метода, в качестве критерия оптимизации использовался среднеквадратичный критерий:
, (5) где i – номер опыта, N – количество опытных точек, 
- значения показателя качества, определённые в лаборатории и рассчитанные по модели.
Параметры моделей и её статистические характеристики представлены в таблице 1:
Рис. 1. Принципиальная схема установки экспресс-анализа показателей качества полимеров и результаты экспериментальной проверки математических моделей (3) и (4).
Таблица 1. Параметры и статистические оценки моделей (3), (4).
Параметры моделей (3), (4) | Статистические оценки модели |
P=3,01·10-24 m=3,812 | средняя абсолютная средняя относительная ошибка коэффициент парной корреляции |
Z1 = 817,997 Z2 = –2,64 | средняя абсолютная ошибка средняя относительная ошибка коэффициент парной корреляции |
;
;
.
Полученные результаты говорят о высокой точности разработанных математических моделей (3), (4). Возможность рассчитать по измеренным акустическим параметрам полимера его показатели качества, а так же приемлемая точность полученных зависимостей, позволяет использовать их в качестве основы для системы оперативного контроля входного сырья и полученной продукции при переработке отходов каучуков.
Дальнейшие исследования в этой области целесообразно проводить в направлении дальнейшего расширения диапазона показателей качества, коррелирующих с акустическими параметрами полимера, а так же номенклатуры марок каучуков, для которых могут быть получены аналоги полученных математических моделей.
Литература.
1. Черкашев, и побочные продукты нефтехимического
производства – сырье для органического синтеза [Текст] / . – М.: Химия, 1989. – 240с.
2. Шеин, и утилизация выбросов и отходов при производстве и переработке эластомеров [Текст] / , , . – М.: Химия, 1987. – 200с.
3. Никольский, технологические линии по переработке автомобильных покрышек [Текст] / , , // Вторичные ресурсы – 2004 – №1 С. 29-37.
4. Резниковский, М. М., Лукомская, испытания каучука и резины. 2-ое изд., перераб. и доп. / М.: Химия. 19с.
5. Гуль, В. Е., Кулезнев, и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа. 19с.
6. Перепечко, методы исследования полимеров [Текст] / . – М.: Химия, 1973. – 296 с.
7. Бражников, методы. / Физические и физикохимические методы контроля и состава свойств вещества под общей редакцией академика АН Киргизской ССР . М.-Л., издательство «Энергия». 19с.
8. Определение зависимости физико-механических характеристик полимеров от параметров ультразвукового сигнала / , , / Материалы XLIII отчётной научной конференции за 2004 год/ Воронеж. гос. технолог. акад. Воронеж, 2005 - с. 45.
9. Математическая модель зависимости прочностных свойств полимерных композиций от акустических параметров / , , // Образовательные технологии. научно-технический журнал/ Воронеж. гос. пед. университет,: Воронеж. «Научная книга», 2005, №4 - с. 120.
10. Утилизация отходов производства СК/ Математическое моделирование информационных и технологических систем: сб. науч. тр./ , , // Воронеж. гос. технол. акад. – Вып. 7. Воронеж, 2005. с. 225.
