Вплив вуглецевих нанотрубок на характеристики течії розплаву полімеру під час екструзії двошарових труб

Автор(и)

  • Роман Сергійович Гурін Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна image/svg+xml
  • Олександр Володимирович Гондлях Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна image/svg+xml
  • Олександр Леонідович Сокольський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна image/svg+xml
  • Валерій Юрійович Щербина Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна image/svg+xml
  • Сергій Ігорович Антонюк University of Kaiserslautern-Landau ,Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Німеччина image/svg+xml

DOI:

https://doi.org/10.20535/2617-9741.2.2025.333972

Ключові слова:

полімерні нанокомпозити, вуглецеві нанотрубки, екструзія, реологія, двошарова труба, поліпропілен, полівінілхлорид

Анотація

У цій роботі представлено результати чисельного моделювання процесу екструзії двошарових полімерних труб у двовимірній осесиметричній постановці з використанням програмного комплексу ANSYS Polyflow. Досліджено вплив введення багатостінних вуглецевих нанотрубок (БВНТ) у поліпропілен (ПП) на реологічні властивості розплаву та характеристики течії в екструзійній голівці. Для опису в'язкості композиту ПП/БВНТ використовувалася модель Берда-Карро з урахуванням концентрацій БВНТ (0, 1, 2, 4 та 8 % мас.). Другий шар труби виготовлено з полівінілхлориду (ПВХ). Проведено аналіз розподілів тиску, швидкості течії розплаву та товщини шарів екструдованої труби. Встановлено, що зі збільшенням вмісту БВНТ в'язкість композиту ПП/БВНТ суттєво зростає, що призводить до зростання тиску в екструзійній голівці (від 91,3 кПа при 0 % мас. до 28,5 МПа при 8 % мас.) та впливає на розподіл товщини шарів: товщина шару ПП/БВНТ зменшується з 2,49 мм до 1,70 мм, тоді як товщина шару ПВХ збільшується з 2,50 мм до 3,45 мм. Оптимальна концентрація БВНТ становить 2 % мас., яка забезпечує збалансовані реологічні характеристики та стабільну геометрію труби (загальна товщина 5,23 мм). При концентрації 8 % мас. шар ПП/БВНТ залишається цілісним, але його товщина стає недостатньою для практичного використання. Отримані дані дозволяють оптимізувати склад полімерного нанокомпозиту та параметри процесу екструзії для виробництва двошарових труб із заданими властивостями.

Біографії авторів

Роман Сергійович Гурін, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Студент кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Олександр Володимирович Гондлях, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Доктор технічних наук, професор кафедри хімічного, полімерного та силікатного виробництва Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Олександр Леонідович Сокольський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Доктор технічних наук, доцент, завідувач кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Валерій Юрійович Щербина, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Доктор технічних наук, професор, професор кафедри хімічного полімерного та силікатного машинобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Сергій Ігорович Антонюк, University of Kaiserslautern-Landau ,Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau

Завідувач кафедри інженерії механічних процесів Університета Кайзерслаутерн-Ландау, м. Кайзерслаутерн (Німеччина)

Посилання

K. G. Kovalenko, V. I. Sivetskii, and A. L. Sokol’skii (2013), "Design of an extrusion die for plastic profiles," Chemical and Petroleum Engineering, vol. 49, no. 9-10, p. 675-678. doi:10.1007/s10556-014-9817-x

Y. Nie, I. M. Cameron, J. Sienz, Y.-J. Lin, W. Sun (2020), "Coupled thermal-structural modelling and experimental validation of spiral mandrel die", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 111, pp. 3047–3061. doi:10.1007/s00170-020-06183-z

P. Pötschke, T. D. Fornes, and D. R. Paul (2002), “Rheological behavior of multiwalled carbon nanotube/polycarbonate composites,” Polymer, vol. 43, no. 11, pp. 3247–3255, doi:10.1016/S0032-3861(02)00151-9

S. Deveci, B. Eryigit, and S. Nestelberger (2021), “Re-distribution of residual stress in polymer extrusion: An eccentric approach,” Polymer Testing, vol. 93, p. 106971, doi:10.1016/j.polymertesting.2020.106971

R. Arrigo, G. Malucelli (2020), “Rheological Behavior of Polymer/Carbon Nanotube Composites: An Overview” Materials, vol. 13, no. 12, pp. 2771, doi:10.3390/ma13122771

R. Huang, J. Silva, B. A. Huntington, J. Patz, R. Andrade, P. J. Harris, K. Yin, M. Cox, R. T. Bonnecaze, and J. M. Maia (2015). "Co-Extrusion Layer Multiplication of Rheologically Mismatched Polymers: A Novel Processing Route." International Polymer Processing, vol. 30, no. 3, 317-330, doi:10.3139/217.2955

D. Borzacchiello, E. Leriche, B. Blottière, and J. Guillet (2014), "On the mechanism of viscoelastic encapsulation of fluid layers in polymer coextrusion," Journal of Rheology, vol. 58, no. 2, pp. 493-512. doi: 10.1122/1.4865817

P. D. Anderson, J. Dooley, and H. E. H. Meijer (2006), "Viscoelastic Effects in Multilayer Polymer Extrusion," Applied Rheology, vol. 16, no. 4, pp. 198-205. doi: 10.1515/arh-2006-0014

M. de’ Michieli Vitturi (2025), "Navier-Stokes equations in cylindrical coordinates," [Online]. Available: https://demichie.github.io/NS_cylindrical/ (accessed Mar. 29, 2025).

F. Thiébaud, J.C. Gelin (2010)."Characterization of rheological behaviors of polypropylene / carbon nanotubes composites and modeling their flow in a twin screw mixer" Composites Science and Technology, vol. 70, no. 4, pp. 647, doi:10.1016/j.compscitech.2009.12.020

"ANSYS Polyflow Users Guide PDF," [Online]. Available: https://www.scribd.com/document/445926962/ANSYS-Polyflow-Users-Guide-pdf (accessed Mar. 29, 2025).

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-06-30

Як цитувати

Гурін, Р. С., Гондлях, О. В., Сокольський, О. Л., Щербина, В. Ю., & Антонюк, С. І. (2025). Вплив вуглецевих нанотрубок на характеристики течії розплаву полімеру під час екструзії двошарових труб. Вісник НТУУ “КПІ імені Ігоря Сікорського”. Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження, (2), 20–31. https://doi.org/10.20535/2617-9741.2.2025.333972

Номер

Розділ

ХІМІЧНА ІНЖЕНЕРІЯ