Вплив вуглецевих нанотрубок на характеристики течії розплаву полімеру під час екструзії двошарових труб
DOI:
https://doi.org/10.20535/2617-9741.2.2025.333972Ключові слова:
полімерні нанокомпозити, вуглецеві нанотрубки, екструзія, реологія, двошарова труба, поліпропілен, полівінілхлоридАнотація
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.
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
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Роман Сергійович Гурін, Олександр Володимирович Гондлях, Олександр Леонідович Сокольський, Валерій Юрійович Щербина, Сергій Ігорович Антонюк
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
