Введение. Проблема комплексной переработки техногенных полимеросодержащих материалов (ТПМ) - это одна из ключевых задач современного экологического и промышленного развития, обусловленная как необходимостью уменьшения вредного воздействия на окружающую среду, так и потребностью в ресурсоэнергосберегающих технологиях. Рост потребления пластмасс и сложность утилизации полимерных материалов приводят к накоплению больших объемов отходов, что создает угрозу загрязнения почвы, воздуха и водных ресурсов. По данным Росстата в РФ ежегодно образуется до 50 млн. тонн твердых коммунальных отходов (ТКО) [1] (рис. 1), значительную часть из них (до 25 %) составляют полимерные материалы [2,3], которые являются одним из главных источников загрязнения окружающей среды из-за их высокой инертности и длительного периода разложения.
Актуальность решения проблемы снижения доли ТКО, направляемых на захоронение, от общей массы образования ТКО подтверждается реализацией федерального проекта «Экономика замкнутого цикла» по внедрению систем раздельного сбора и переработки отходов для возвращения вторичных ресурсов в хозяйственный оборот. Данный проект является составной частью национального проекта «Экологическое благополучие», утверждённого Указом Президента РФ от 7 мая 2024 года №309 и направленного на сохранение и восстановление окружающей среды для улучшения экологического благополучия [4].
Использование вторичного сырья из полимеросодержащих отходов позволяет минимизировать потребление природных ресурсов и сократить энергозатраты при производстве строительных материалов и изделий [5–7]. Производство наполнителей для полимеропесчаных композиций и дорожных покрытий из переработанных полимеров улучшает эксплуатационные характеристики материалов – повышается их прочность, износостойкость и долговечность [8].
Рис. 1. Генерация ТКО в РФ в 2020–2022 гг., млн.т.
Переработка техногенных полимеросодержащих материалов требует комплексного подхода с применением механических, химических и энергетических методов [9,10]. Современное оборудование позволяет улучшить качество отсортированного сырья и расширить виды перерабатываемых полимеров. Однако ключевые проблемы - энергозатраты и экологические риски стимулируют развитие инновационных, более устойчивых технологий.
Химическая переработка, основывающаяся на разложении полимеров на мономеры или другие химические продукты путем пиролиза, гидролиза или деполимеризации позволяет перерабатывать сложные полимерные смеси и термореактивы. Сдерживающим фактором использования химических технологий являются высокие энергозатраты и сложность технологических процессов. Энергетическая утилизация применяется для полимеров, которые сложны для рециклинга и заключается в простом сжигании отходов с получением тепловой энергии. Механические методы переработки ТПМ основаны на физической обработке полимерных отходов без изменения их химической структуры. Это наиболее распространённый и экологичный способ повторного использования полимеров, особенно термопластов. Преимущества механических методов: сохранение базовой химической структуры полимеров, как следствие сохранение их физико-механических свойств; низкие энергозатраты по сравнению с химической переработкой; экономическая эффективность и простота реализации; экологичность в части отсутствия выбросов токсичных веществ [11].
Основные этапы и методы механической переработки – сортировка по типам полимеров (ПЭ, ПП, ПВХ, ПЭТ и др.), измельчение и дробление крупногабаритных объектов на мелкие частицы, последующее компактирование (экструдирование, окатывание-гранулирование, прессование или брикетирование) являются необходимым условием для получения вторичного сырья при производстве новых изделий. При этом основополагающим для реализации указанных технологических переделов является процесс измельчения и гомогенизации полимерных отходов.
Для эффективного измельчения и дробления полимеросодержащих материалов используется комплексное оборудование: шредеры, дробилки, резаки и другие технические средства. Они выбираются в зависимости от типа и состояния отходов. Правильный выбор метода переработки обеспечивает повышение качества вторичного сырья и оптимизацию технологического процесса. При проектировании оборудования для переработки ТПМ необходимо учитывать исходные физико-механические характеристики, геометрическую форму, размеры перерабатываемого материала, а также технологические условия переработки.
Как показала существующая практика переработки ТПМ с различными физико-механическими характеристиками [12], широкое распространение в настоящее время получает их постадийное измельчение с получением высокодисперсных материалов, полимеросодержащих композиционных смесей (ПКС).
Не смотря на широкий диапазон физико-механических характеристик ТПМ, процесс их измельчения имеет общие классические закономерности с учетом их специфических особенностей.
Установление таких закономерностей является ключевым этапом для выбора оптимальных методов измельчения ТПМ, необходимых для разработки и проектирования энергоэффективного оборудования и технологических систем. Научно и технически обоснованные режимы работы оборудования обеспечивают получение ПКС с нужными свойствами, что расширяет ассортимент востребованной продукции и способствует созданию отечественных технологий, направленных на энергосбережение.
Анализ постадийного процесса уплотнения и измельчения мелкозернистых ТПМ. Постадийные процессы уплотнения мелкозернистых ТПМ, их упругопластического деформирования, измельчения можно представить в виде графических зависимостей Hi=f(Pi), εi=f(t) и dср·взв=f(t) (Рис. 2, а).
Исходный, предварительно измельченный ТПМ с низкой насыпной плотностью ρ0ТПМ (кг/м3) подвергается внешнему силовому воздействию P0. При этом под воздействием внутренних нормальных напряжений σсж преодолеваются силы межчастичного трения Fм.част.тр, а также внешнего трения Fтр, вызванные усилием бокового распора q. При уплотнении частиц ТПМ удаляется воздушная фаза между ними, что увеличивает значения исходной насыпной плотности ρ0 (кг/м3) и транспортирующую способность (сыпучесть) измельчаемого материала. Кроме того, обеспечение более уплотненного материала на участке ОА кривой уплотнения (рис. 2, а) создаёт более благоприятные условия для дальнейшего упругопластического деформирования конгломерата частиц на участке АВ.
Рис. 2. Схема постадийного процесса уплотнения и измельчения мелкозернистых ТПМ
а) графические зависимости Hi=f(Pi), εi=f(t) и dср·взв=f(t) в соответствии со стадиями процесса:
1 - уплотнение, 2 – упруго-пластическое деформирование, 3 – измельчение
б) схема постадийного процесса уплотнения и измельчения ТПМ
На стадии предварительного уплотнения ТПМ энергозатраты минимальны, а на последующей стадии (АВ) энергозатраты возрастают пропорционально внешнему силовому воздействию. Максимально затрачиваемая при этом работа определяется выражением:
|
|
(1) |
где 
– максимальное силовое воздействие на второй стадии, Н;
– ход рабочего органа на участке АК, м.
Графически затрачиваемая работа на второй стадии определяется площадью ∆ АВК.
Для повышения полезной работы измельчения ТПМ, обладающих повышенной адгезионной способностью и снижения энергозатрат при силовом воздействии, целесообразно на второй и третьей стадиях измельчения (соответственно, участки АВ и ВС) обеспечивать объёмно-пространственные нормальные σxyz и касательные τxyz напряжения.
С целью повышения энергоэффективности процесса измельчения ТПМ на основной второй стадии (участок АВ) целесообразно использовать комплекс силовых разрушающих нагрузок PΣразр, обеспечивающих нормальные σк и касательные τк контактные напряжения, а также сдвиговые (разрушающие) напряжения τсдв-разр:
|
|
(2) |
Особое значение объёмно-пространственное деформирование уплотнённого тела имеет для последней стадии (участок ВС), где измельченный полифракционный материал обладает повышенным аутогезионным взаимодействием частиц.
Кроме того, в зависимости от конструктивно-технологического исполнения рабочей камеры измельчения (повышенного силового воздействия и энергонапряжености) возможно состояние полифракционных частиц в виде монолитного тела (или отдельных спрессованных тел). Указанное состояние измельченных, но спрессованных частиц требует последующей дезагломерации монотел. Как показывает практика, при незначительных касательных напряжениях τxyz процесс дезагломерации не требует значительных энергозатрат.
Указанный процесс дезагломерации уплотненных конгломератов также необходим при реализации постадийных процессов: «измельчение ТПМ – гомогенизация полимеросодержащих композиционных смесей с гетерогенными компонентами».
При отсутствии указанного дезагломерационного процесса упругое расширение уплотненного тела (особенно в «закрытых» матрицах) приводит лишь к появлению межчастичных трещин, особенно при высокоскоростном создании напряжений. Кроме того, участок СD – упругой деформации монолитного тела из измельченных частиц при высоких напряжениях является наиболее энергоёмким, что характеризуется интенсивным ростом силового воздействия P0.
Описанный постадийный процесс уплотнения и упругопластического деформирования измельчаемых частиц можно также рассматривать при использовании реологических кривых O'A'С'D' (рис. 2, а). Это также необходимо для разработки механо-реологической модели процесса измельчения ТПМ, позволяющей более всесторонне изучить исследуемый технологический процесс для конструирования технических средств измельчения полимерных материалов.
Экспоненциальный характер кинетической кривой уплотнения объёмно-сдвигового деформирования и последующего разрушения частиц ТПМ (Hi=f(Pi)) соответствует классической кинетической кривой измельчения органоминеральных зернистых материалов различной морфологии (dср·взв=f(t)), что подтверждается в научных трудах различных ученых [13, 14]. Согласно указанных кинетических зависимостей (Рис. 2, а) первые их стадии реализуются с максимальной скоростью. Для кинетической кривой измельчения зависимости средневзвешенного размера частиц (dср·взв) от времени (t) внешнего силового воздействия - dср·взв=f(t) «константа скорости измельчения» определяется тангенсом угла наклона Ψi касательной к оси абсцисс. С увеличением времени t – стадийности кинетических кривых, константы скорости изменения выходных параметров снижаются (ΨI>ΨII>ΨIII), а энергозатраты на реализуемые процессы возрастают, что свидетельствует о целесообразности усиления постадийного объёмно-сдвигового деформирования частиц.
Характер реологических кривых упруго-вязко-пластичных материалов определяется во многом их пластическими свойствами, а также структурно-деформационными характеристиками [15,16]. Учитывая широкий диапазон изменения пластических свойств различных ТПМ, определяемых их морфологическим состоянием, а также термомеханическими и технологическими условиями переработки, важное значение имеет зависимость относительной деформации материала (εi) от времени (t) воздействия силовой нагрузки. С учетом реального термопластичного состояния перерабатываемых ТПМ устанавливается необходимость определения констант вязко-пластичных свойств материалов: условно-мгновенного модуля упругости, модуля эластичности и наибольшей пластической вязкости [16].
Согласно исследуемого процесса предварительного уплотнения измельченных ТПМ и соответствующего удаления воздушной фазы максимальная величина относительного уплотнения εHmax складывается из двух составляющих:
|
|
(3) |
где 
– максимальное относительное уплотнение измельченных частиц на первой стадии;
– упругая деформация максимально уплотненного на второй и третьей стадии
(рис. 2, а) тела после снятия напряжений.
Согласно указанной схемы к расчёту
(Рис. 2, б) имеем:
|
|
(4) |
|
|
(5) |
где 
– соответственно, объём порового пространства (воздушной фазы) и объём тела после упруго-пластического деформирования его частиц, м3;
– площадь сечения деформируемого тела, м2.
Тогда первое слагаемое выражения (3)
|
|
(6) |
Соответственно, можно определить исходную насыпную плотность измельчаемого материала:
|
|
(7) |
|
и величину
|
(8) |
где 
- масса уплотняемого ТПМ, кг;
- истинная (удельная) плотность твёрдого вещества, из которого состоят частицы ТПМ, без учёта пор и межчастичных пустот, кг/м3.
Значение можно определить из выражения:
|
|
(9) |
На третьей стадии упруго-пластической деформации образца (Рис. 2, б) при создании условий для релаксации соответствующих напряжений при завершении процесса абсолютная деформация напряженного тела 
может быть определена из равенства
|
|
(10) |
где 
– нормальные напряжения, воздействующие на тело;
– модуль объёмной упругости деформированного тела, Н/м2.
Откуда
|
|
(11) |
Тогда величина относительной упругой деформации:
|
|
(12) |
Скорости абсолютной 
(м/с) и относительной 
(
деформации, влияющих на процесс дезагломерации деформируемого тела, состоящего из измельченных частиц можно определить из выражений:
|
|
(13) |
|
|
Учитывая выражение
|
|
(14) |
можно установить зависимость
|
|
(15) |
Согласно проведенных исследований (11) относительная деформация деформируемой шихты может быть определена по формуле:
|
|
(16) |
а скорость относительной деформации
|
|
(17) |
где 
– скорость возрастания напряжений в процессе деформационного воздействия на частицы тела.
Механо-реологическая модель постадийного процесса измельчения ТПМ. Анализ и исследования основных закономерностей процесса уплотнения и упруго-пластического деформирования ТПМ с использованием графических зависимостей Hi=f(Pi), εi=f(t) и dср·взв=f(t) (рис. 2, а, б) с учетом физико-механических и реологических особенностей материала при силовом воздействии, позволили разработать механо-реологическую модель постадийного процесса измельчения ТПМ для приготовления композиционных смесей с гетерогенными компонентами (рис. 3). Применение данной модели делает возможным глубокий анализ процесса и его особенностей и с учетом уточнения физико-механических характеристик материала на каждой стадии обработки позволяет разработать роторно-центробежный агрегат и на его основе - технологический модуль комплексной переработки ТПМ.
Результаты проведенного анализа кривой уплотнения зернистого материала и изучение механизма структурно-деформационного состояния измельчаемых частиц на различных стадиях их обработки позволяют при разработке механо-реологической модели использовать основополагающие принципы механики сплошной среды и тензорного исчисления [16–19]. Указанный научный подход дает возможность изучить механо-реологические процессы, реализуемые в моделях [20], а также осуществлять дальнейшее развитие научно-технических и конструкторско-технологических разработок известных [21-23] и других перспективных ресурсосберегающих технологических модулей совмещенных технологических процессов.
Как было указано ранее, предварительно измельченные исходные ТПМ (в крупнозернистом состоянии) подвергаются предварительному уплотнению, при этом осуществляется удаление воздушной фазы из порового пространства. Это способствует более рациональному расходу энергозатрат при силовом воздействии на уплотненные конгломераты измельчаемого материала.
На первой стадии механо-реологической модели (рис. 3, I) внешнее силовое воздействие на уплотняемый материал сопровождается упругой деформацией слоя материала, представленной элементом Гука.
Рис. 3. Механо-реологическая модель процесса
измельчения ТПМ для приготовления полимеросодержащих композиционных смесей
P0 - внешнее силовое воздействие; 
–
элемент Гука соответственно для I, II, III стадии;
– элемент пространственного перемещения
частиц в системе XYZ; 
- элемент Ньютона соответственно для II и III стадии; 
–
элемент Сен Венана соответственно для II и III стадии; 
- элемент «Стопор» соответственно для II и III стадии.
Величина относительной деформации 
материала при его предварительном уплотнении:
|
|
(18) |
где 
- тензор силового воздействия P0, Н/м2
– модуль Гука, Н/м2.
На второй стадии обработки ТПМ (рис. 3, II) реализуется более сложный процесс объёмно-сдвигового деформирования (ОСД) уплотненных ТПМ, обладающих упруго-вязко-пластичными свойствами. Для реализации ОСД указанного материала необходима постоянная переориентация измельчаемых частиц, что повышает их степень свободы при перемещении и снижает энергоемкость процесса разрушения материала. Данный процесс может быть представлен элементом 
, характеризующим пространственное перемещение частиц в системе XYZ.
Согласно основных положений механики сплошной среды [19] напряженное состояние тела определяется компонентами напряжений и деформаций на трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.
Они представляются по соответствующим осям нормальными напряжениями: σx, σy, σz и сочетаниями касательных напряжений: τxy=τyx, τyz=τzy, τzx=τxz
Кроме того, учитываются относительные деформации: 
x, y, z, а также - угловые деформации, характеризующие сдвиговые перемещения γxy=γyx, γyz=γzy, γzx=γxz.
Таким образом, для реализации на второй стадии объёмно-сдвиговой деформации материала используются следующие виды напряжений: нормальных – σxy, σyz, σzx, касательных - τxy, τyz, τzx, а также относительных xy, yz, zx, и угловых γxy, γyz, γzx деформаций.
С учетом вышеуказанного, относительная деформация элемента 
, при объёмно-пространственном перемещении частиц в системе XYZ можно представить в общем виде:
|
|
(19) |
где 
– тензоры напряженности деформированного тела при объёмно-пространственном перемещении частиц (XYZ), воздействии нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений, соответственно, Н/м2;
, 
–модуль Гука и касательные напряжения при объёмно-пространственном напряжении деформируемого тела, соответственно, Н/м2.
Процесс преодоления межчастичного трения представляется элементом Сен Венана 
. Относительная деформация процесса представляется выражением:
|
|
(20) |
где 
– тензор сдвигового напряжения, Н/м2;
– касательные напряжения при сдвиговом перемещении (трении) частиц, Н/м2.
Процесс ОСД частиц на второй стадии сопровождается также упруго-вязко-пластическим деформированием уплотненного слоя частиц. Последнее представлено, соответственно, моделью Максвелла – сочетанием упругого элемента Гука 
и вязкого элемента Ньютона 
.
Элемент Сен Венана 
характеризует пластическое деформирование частиц под действием касательных напряжений τ.
Сочетание элементов Сен Венана и Ньютона представляет модель Бингама.
Для модели Максвелла девиаторные компоненты тензоров напряжённости и сопротивления пластическому деформированию тел Гука и Ньютона, соответственно равны:
|
|
(21) |
|
|
где 
– модули сдвига, Н/м2;
– девиаторы сдвиговой деформации для тел Гука и Ньютона.
Девиаторы сдвиговой деформации для тел Гука и Ньютона можно представить в виде:
|
|
(22) |
|
|
Тензоры скорости деформации тел Гука и Ньютона:
|
|
(23) |
|
|
После интегрирования выражения (23) по времени t - периода деформирования частиц на второй стадии относительная деформация для тел Гука и Ньютона имеет вид:
|
|
(24) |
На последней третьей стадии (Рис. 3, III) измельчения материала в уплотненном состоянии, переходящей в энергетически неэффективный процесс измельчения (зависимость Hi=f(Pi) – участок CD (Рис. 2, а), зависимость dср·взв=f(t) - участок NM (Рис. 2, а)) целесообразно при стабильных условиях (PIII=const) обеспечить упруго-вязко-пластическое деформирование тел Гука (
,), Ньютона (
) и Сен Венана (
) (Рис. 3, III). При этом необходимо использовать элемент «Стопор» (
), обеспечивающий дополнительные сопротивления для дезагломерирования измельченных ранее и уплотненных частиц.
По аналогии со второй стадией разработанной механо-реологической модели (Рис. 3, II) используемых элементов и их аналитического описания имеем:
|
для элемента Гука: |
|
(25) |
|
для элемента Ньютона: |
|
|
|
для элемента Сен Венана: |
|
Полагая, что элемент ( ) создает необходимые условия для переориентации дезагломерируемых конгломератов, выполняемых аналогично элементом 
(вторая стадия), то указанное сочетание элементов с учетом 
(25) можно представит в виде [15]:
|
|
(26) |
где 
– сдвиговые деформации при переориентации частиц;
– максимальное напряжение уплотненного слоя измельченных частиц на третьей стадии, Н/м2;
– период напряженно-сдвигового деформирования уплотненного слоя измельченных
частиц, с;
– вязкость дезагломерируемого слоя измельченных частиц, (Н/м2)·с;
– предельный угол смещения частиц при их переориентации (дезагломерации), град.
Как показали проведенные нами ранее теоретические исследования (16), дальнейшее упруго-пластическое деформирование дезагломерируемых конгломератов энергетически нецелесообразно ввиду экспоненциальной зависимости кривых уплотнения и измельчения (Рис. 2, а):
|
|
(27) |
Таким образом, с учётом аналитических исследований постадийного процесса уплотнения, упруго-пластичного и объёмно-сдвигового деформирования ТПМ, соответствующих разработанной механо-реологической модели (Рис. 3), обобщенное уравнение деформационно-силового воздействия на измельчаемые материалы представлено в виде:
|
|
(28) |
В развёрнутом виде аналитическое выражение механо-реологической модели имеет вид:
|
|
(29) |
С учетом (27) выражение (29) можно представить в сокращенном виде:
|
|
(30) |
Разработанная механо-реологическая модель согласно постадийных процессов переработки ТПМ и описывающих их аналитических выражений (28, 29, 30) положена в основу разработки технологического модуля для постадийного диспергирования ТПМ и приготовления КПС с гетерогенными наполнителями (фибронаполнителями из базальтовых волокнистых отходов, технического углерода, пигментов, пластификаторов и др.).
Разработка технологического модуля для постадийного диспергирования ТПМ и приготовления композиционных смесей с гетерогенными компонентами. Проведенные нами теоретические исследования, подтвержденные результатами моделирования изучаемых процессов [24]: предварительного уплотнения исходных ТПМ двухзаходным винтовым устройством (ДВУ), последующего их нагнетания загрузочным усеченным конусом в зону объёмно-сдвигового деформирования цилиндрическим ротором с режущими кромками и обрамляющей его съёмной оболочкой с трапецеидальными каналами, интенсивным истиранием выгрузочным усеченным конусом свидетельствуют о рациональной постадийной организации процесса тонкого измельчения ТПМ с учетом их специфических особенностей.
При осуществлении последующих технологических операций: предварительного смешения измельченных ТПМ с гетерогенными компонентами и использованием ДВУ, реализующих внутренний рецикл смешения; окончательной гомогенизации ПКС в торообразной камере с пневмо-механическим воздействием также свидетельствуют о выполнении существующей кинетической закономерности процессов смешения.
При реализации процессов нами использовано специальное оборудование и отдельные, объединяющие его блоки, имеющие конструктивно-технологические особенности: ДВУ для выполнения различных процессов: цилиндрический ротор и съёмная оболочка специального геометрического профиля, реализующие объемно-сдвиговую деформацию материала; торообразная камера окончательной гомогенизации ПКС с внутренними пневмо-механическими устройствами и другие конструктивно-технические решения.
Указанные технологические и конструкторские решения разработанного оборудования, защищенные патентом РФ [25], объединены единым технологическим модулем (Рис.4), решающим заданную научно-техническую задачу. Однако потенциальные возможности технологического модуля, его отдельных блоков и используемого оборудования выходят за рамки поставленной задачи, могут выполнять и другие функциональные операции для дальнейшего их использования при создании ресурсо-энергосберегающих технологий.
Рис. 4. Технологический модуль для постадийного диспергирования ТПМ и приготовления композиционных смесей
Технологический модуль для диспергирования и смешения изотропных и анизотропных материалов (рис. 4) состоит из четырех блоков. Первый блок (рис. 4, I) предназначен для нагнетания, предварительного уплотнения, направления ТПМ в зону объемно-сдвигового деформирования и измельчения – соответствует первой стадии механо-реологической модели (рис. 3). Второй блок (рис. 4, II) предназначен для объемно-сдвигового деформирования контактирующих частиц, силового разрушающего (режущего) воздействия на уплотнённые материалы. В конечном счете процесс направлен на измельчение ТПМ и соответствует второй стадии механо-реологической модели (рис. 3). Третий и четвертый блок технологического модуля предназначены для предварительного (рис. 4, III) и окончательного смешения (рис. 4, IV) материала.
Рассмотрим компоновочную технологическую схему модуля и его составных блоков с целью их автономной работы и расширения сферы их механо-технологических возможностей, в том числе для инновационных технологий (рис. 5).
Технологический модуль может быть использован для выполнения своей основной функции – приготовления композиционных смесей из измельченных мелкокусковых изотропных или анизотропных техногенных материалов или, в данном случае, – «ТПМ – композиционная смесь с гетерогенными компонентами», по схеме 
Возможен также технологический процесс получения одних только измельченных изотропных или анизотропных техногенных материалов для получения пластинчатых, игольчатых, спиралевидных или иной геометрической формы частиц с высокоразвитой поверхностью – фибронаполнителями для изготовления различных покрытий и строительных изделий. Геометрия измельченных тел определяется конфигурацией рабочих органов – режущих кромок ротора и обрамляющего его съёмной оболочкой с трапецеидальными каналами. Данный процесс характерен также для измельченных ТПМ. Схема обработки исходных техногенных материалов следующая: 
с выгрузкой продукции через камеру предварительного смешения 
B (до попадания в зону ДВУ).
При использовании блока предварительного смешения B может быть задействована схема «измельчение в роторно-центробежном агрегате» (А) и предварительное смешение отдельных компонентов добавок или их композиций (В) с выгрузкой ПКС из камеры смешения перед торообразной камерой.
Рис. 5. Компоновочная схема технологического модуля и его составных блоков.
А1 – питание, нагнетание, А2 – объемно-сдвиговое импульсное (волновое) деформирование,
А3 – релаксация напряженного состояния, В1 – питание, дозирование гетерогенных компонентов,
В2 – предварительное смешение измельченных ТПМ и гетерогенных добавок с помощью ДВУ,
С1 – окончательная стадия смешения ПКС в торообразной камере
Аналогичная технологическая операция может быть реализована при смешении одних только добавок по схеме «шнековый питатель (В1) – ДВУ (В2)». При этом конструктивное исполнение ДВУ с их развитой перфорированной поверхностью, возможностью изменения технологического режима обработки материала (водопадного, водопадно-каскадного или каскадного) позволяют использовать камеру предварительного смешения как камеру классификации мелкозернистых или полифракционных материалов, что необходимо для различных процессов стройиндустрии.
Более широкий диапазон технологических возможностей представляется при использовании торообразной камеры, обладающей большой степенью свободы при перемещении частиц в объемном пространстве XYZ.
По исследуемой технологической схеме переработки ТПМ – получения поликомпонентной смеси с высокодисперсным полимерным компонентом, реализуется следующая последовательность . При этом, в зависимости от решаемой технологической задачи, может быть использована торообразная камера без внутренних рабочих органов – в случае использования материалов с низкой плотностью (например, материалы с поризованнной структурой: перлит, вермикулит, и др. подобные) или тонкодисперсных материалов при внешнем аэродинамическом воздействии сжатого воздуха внутри торообразной камеры.
Кроме того, тороидальная конфигурация рабочей камеры создаёт оптимальные условия для процесса гранулирования, обеспечивая свободную циркуляцию материала и высокую кинематическую подвижность частиц при формировании гранул. В случае необходимости, возможна внутренняя классификация полифракционного гранулята за счет использования классификационных решеток.
При описании возможных вариантов использования отдельных блоков технологического модуля и их сочетания нами представлен далеко не весь перечень возможных вариантов конструктивного и технологического исполнения. Проведенный нами анализ основных направлений расширения технологических возможностей реализации научных и конструкторско-технологических разработок позволяет более обоснованно и углубленно провести экспериментальные исследования специального оборудования и технологического модуля. Также – установить перспективы дальнейшего развития данного научного направления и инновационных ресурсоэнергосберегающих технологий.
Практическая реализация указанных направлений использования отдельного оборудования и составляющих блоков технологического модуля, его эксплуатация в целом, естественно предусматривает применение отдельных приводов оборудования. Это решается в зависимости от поставленных задач и их технологического решения.
Выводы
- На основе выполненного анализа основных закономерностей процессов уплотнения и деформационного воздействия на зернистую среду разработаны основные направления постадийной переработки техногенных полимеросодержащих материалов.
- Изучен и аналитически описан механизм постадийного уплотнения и упругопластического деформирования частиц, их абсолютной и относительной скоростной деформации.
- Разработана механо-реологическая модель постадийного процесса объёмно-сдвигового деформационного воздействия на упруго-вязко-пластичные материалы.
- Получены аналитические выражения относительных деформаций для каждой стадии деформационного силового воздействия и обобщенной математической модели процесса с позиции основополагающих положений механики сплошной среды.
- Разработан патентно-защищенный технологический модуль, его основные конструктивно-технологические блоки и устройства для постадийного диспергирования ТПМ и приготовления композиционных смесей.
