Основы технологии производства изделий из пластмасс

Пластические массы (пластмассы, пластики) - конструкционные материалы на основе полимеров, способные приобретать требуемую форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

По составу пластмассы имеют следующие разновидности:

- простые пластмассы (ненаполненные);

- сложные пластмассы (наполненные).

Простые пластмассы состоят только из полимеров (иног­да с добавкой пластификатора или красителя).

Сложные пластмассы содержат ряд компонентов в зави­симости от требуемых свойств материала. Основными компонен­тами сложных пластмасс являются:

Связующие вещества – это полимерная основа пластмасс (различные смолы, соединяющие в монолитный материал другие компоненты пластмассы), они обусловливают основные свойства пластмасс.

Наполнители вводятся в состав пластмасс с целью направленного изменения их свойств, а также снижения расхода связую­щего вещества и удешевления пластмассы. В каче­стве наполнителей применяются порошкообразные, волокнистые и др. вещества как органического, так и неоргани­ческого происхождения.

Пластификаторы придают материалу повышенную пластичность, в результате чего облегчается формо­вание изделий, уменьшается их хрупкость, особенно при низких температурах, увеличивается гибкость и эластич­ность. В качестве пластификаторов используются вещества, хими­чески инертные по отношению к другим компонентам смеси.

Отверждающие вещества и катализаторы вводятся в состав пластмасс для ускорения их перехода в твердое состояние.

Стабилизаторы замедляют процесс старения пластмасс, но не влияют на их первоначальные свойства.

Красители – вещества, придающие пластмассе тот или иной цвет или оттенок, улучшая внешний вид.

Газообразователи вводятся в состав пластмасс с целью образования в них пор, обеспечивающих уменьшение плотности и повышение теплоизолирующих свойств (например, пенопласты, поропласты).

Классифицируют пластмассы по тем же признакам, что и полимерные материалы.

Главное преимущество использования пластмасс по сравнению с другими материалами - это простота переработки их в изделия.

Переработка пластмасс — комплекс процессов, обеспечивающий получение готовых изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными свойствами на специальном оборудовании. Переработке пластмасс предшествует проектирование рациональной конструкции изделия, выбор оптимального метода переработки и условий его осуществления, разработка состава материала, наиболее пригодного для выбранного метода, оборудования и последующих условий эксплуатации.

К технологии переработки пластмасс относятся следующие основные стадии:

а) приготовление материала на основе исходного полимера и подготовка его к формованию (например, таблетирование);

б) формование полученного материала и изготовление из него изделий или полуфабрикатов.

в) последующая обработка с целью улучшения свойств полимера или изделия (термическая обработка, механическая обработка, сварка и др.).

Способы формования изделий из пластмасс зависят от их отношения к нагреву, т.е. являются они термопластами или реактопластами. Рассмотрим более подробно те способы, которые наиболее часто применяются в промышленном производстве пластмасс.

Прямое (компрессионное) прессование (рис.5) относится к самому распространенному способу переработки преимущественно термореактивных пластмасс.

Прессование включает следующие операции: дозировку прессовочного материала, загрузку его в пресс-форму, закрытие пресс-формы, выдержку изделия в пресс-форме при повышенной температуре (до 130...190°С) и под давлением (20...60МПа) для осуществления реакции поликонденсации, разъем пресс-формы, извлечение изделия, очистку и подготовку пресс-

формы для следующей запрессовки, очистку изделия от заусенцев.

Рис 5. Схема прямого прессования изделий из пластмасс.

а – открытая пресс-форма, б - закрытая пресс-форма;

1 – пуансон, 2 – направляющие стержни, 3 – матрица, 4 – пресс-материал, 5 – готовое изделие

 

Увеличению производительности прессования способствует предварительные нагрев прессовочных материалов и их таблетирование.

Для термопластичных материалов метод прессования используется значительно реже, так как в этом случае после каждой запрессовки прессуемое изделие нужно охлаждать в пресс-форме до полного затвердевания, что резко снижает производительность установки.

Прессованием получают также многие слоистые материалы, представляющие собой ткань, бумагу или древесный шпон, пропитанные раствором фенолоальдегидной или карбамидной смо­лы и спрессованные в листы, трубки или другие профили. Смолу растворяют в спирте или другом растворителе и полученным раствором пропиты­вают ткань, бумагу или древесину, которые затем высушивают в сушильных камерах. Из высушенного материала делают заготов­ки, складывают их в пачки и прессуют горячим способом в листы или профили. Одновременно с прессованием происхо­дит отверждение смолы, которая прочно склеивает слои пропитан­ного материала. Таким способом получают текстолит (наполни­тель - хлопчатобумажная ткань), стеклопластики (наполни­тель - стеклянная ткань), гетинакс (наполни­тель - бумага).

Для прямого прессования используют различные гидравлические и механические прессы. Достоинства метода - простая конструкция пресс-форм и сравнительно малая стоимость оборудования. Прессованием можно получать изделия несложной формы, разнообразных размеров и толщины.

К недостаткам прямого прессования относится низкая производительность и трудность достижения высокого уровня автоматизации (периодический процесс), трудность прессования изделий сложной конфигурации, с глубокими несквозными отверстиями.

Литьевое прессование применяется для переработки термореактивных и термопластичных материалов. От прямого прессования отличается тем, что загрузочная камера (тигель) отделена от формующей полости пресс-формы, а перед заполнением формы пресс-материалом формующая полость находится в замкнутом состоянии. Материал, загруженный в камеру, прогревается до вязкотекучего состояния и давлением пуансона продавливается через каналы (литники) в формующую полость пресс-формы, где он дополнительно прогревается. Этим способом можно перерабатывать термореактивные материалы при 140-200⁰С и термопластичные при 30-50⁰С.

Основными преимуществами литьевого прессования по сравнению с прямым прессованием являются: возможность изготовления более сложных деталей; более короткий цикл прессования; в изделиях не возникает больших внутренних напряжений; большая точность размеров деталей; увеличенный срок службы пресс-форм. В то же время пресс-формы этого типа сложнее и дороже, чем пресс-формы для прямого прессования.

Литье под давлением (инжекционное прессование) (рис. 6) основано на том же принципе, что и литьевое прессование. Разница состоит в том, что материал нагревается до вязкотекучего состояния в нагревательном элементе и выдавливается (впрыскивается) плунжером через сопло в охлаждаемую пресс-форму.

Рис. 6. Схема литьевой машины

а – открытая пресс-форма, б – закрытая пресс-форма;

1 – подвижная часть пресс-формы, 2 – неподвижная часть пресс-формы, 3 – нагревательный элемент, 4 – плунжер, 5 – сопло, 6 – загрузочное устройство, 7 – готовое изделие.

 

Этим методом перерабатывают в основном термопластичные пластмассы (полиэтилен, полистирол, полиамиды). Литьем под давлением можно с высокой производительностью получать из термопластов изделия массой от долей граммов до десятков килограмм. Для термореактивных материалов метод литья под давлением возможен, но для этого требуются специальные машины.

Литье под давлением имеет короткий цикл формования, что позволило обеспечить полную автоматизацию всего процесса. При этом не требуется таблетирование материала, до минимума сокращается механическая обработка готовых деталей. Современные конструкции литьевых машин позволяют получать изделия литьем под давление двух и более цветов, пористые изделия с различной плотностью по сечению изделия, многослойные изделия и др.

Недостатки литья под давление — высокая стоимость формующего инструмента, сравнительно низкая производительность при изготовлении армированных изделий и изделий сложной конфигурации.

Экструзия (шприцевание или выдавливание) – это процесс получения профилированных изделий большой длины (трубы, стержни, ленты, нити) непрерывным или периодическим выдавливанием. Процесс выполняется на экструдерах, основной рабочей деталью которых является винт (червяк, шнек), или на гидравлических прессах имеющих поршень (плунжер), совершающий возвратно-поступательное движение. Методом экструзии можно перерабатывать большинство термопластичных материалов.

В промышленности более широкое применение получили одночервячные экструдеры (рис.7).

Рис. 7. Одночервячный экструдер

 

1 – редуктор; 2 – эластичная муфта; 3 – упорный подшипник; 4 - бункер; 5 – загрузочная воронка; 6 – червяк; 7 – термопара; 8 – обогреваемый корпус; 9 – закаленная гильза; 10 – ленточный нагреватель; 11 – сетки; 12 – нагреватель присоединительного фланца; 13 – незащищенная термопара; 14 – головка; 15 – присоединительный фланец; 16 – решетка; 17 – стойка; 18 - охлаждающая рубашка загрузочной зоны; 19 - электродвигатель

 

Исходный материал из бункера 4 через загрузочную воронку 5 поступает в канал червяка 6. Червяк вращается внутри корпуса, снабженного запаленной гильзой 9 и обогреваемого наружными нагревателями 10 и 12. Продвигающийся вдоль канала червяка материал расплавляется и продавливается через решетку 16 в головку 14, где происходит формование изделия.

Обогрев экструдера осуществляется или паром через рубашку корпуса или электричеством. При этом температура головки экструдера должна всегда быть выше температуры корпуса.

После выхода из экструдера некоторые виды профилированных материалов подвергаются таким операциям, как охлаждение, вытяжка, намотка, обрезка. Для осуществления таких операций экструдеры дооборудуют соответствующими механизмами (тянущими, охлаждающими, устройствами для намотки и обрезки). В отдельных случаях вытяжку, например, совмещают с намоткой, например, при производстве нитей или листового материала.

Этим способом перерабатывается большинство синтетических полимеров в полимерные пленки. Для его осуществления используют экструдеры с кольцевой или плоскощелевой головкой. В первом случае расплав полимера экструдируется в виде рукава, который растягивается сжатым воздухом. Рукавный способ — наиболее производительный и экономичный процесс изготовления полимерных пленок. Плоскощелевой способ позволяет формовать полимерные пленки, которые в некоторых случаях дополнительно подвергаются разглаживанию на гладильных валках. Этот способ предпочтительнее в тех случаях, когда требуется получить равнотолщинную плёнку с высоким качеством поверхности.

Экструзией можно получать непрерывные изделия — пленки, профили самого разнообразного типа, листы, трубы и шланги, наносить покрытия из пластмассы на проволоку, а также объемные, многослойные и вспененные изделия с поверхностью, имитирующей различные декоративные материалы. Масса погонного метра изделий, полученных методом экструзии, может составлять от нескольких граммов до 100 кг и более; получены пленки шириной до 25 м и трубы диаметром до 1,2 м. Производительность крупных экструдеров достигает 3—3,5 т/ч, степень автоматизации производства также достаточно высока.

Недостатки экструзии — сложность управления процессом и высокая стоимость оборудования.

Листовое формование предназначено для получения из листов термопластичных материалов изделий коробчатой формы или профилированных листов. При этом способе (рис.8) формование осуществляется путем штампования, сжатым воздухом (пневмоформование), вакуумом (вакуум-формование). Для изготовления изделий с большой поверхностью и малой толщиной стенки формование из листов является единственным методом.

При формовании методом штамповки, кроме термопластов, могут перерабатываться и слоистые термореактивные пластики, например, на основе фенолформальдегидных смол, модифицированных частично термопластичными полимерами. Таким способом, в частности, производятся декоративные бумажно-слоистые пластики, в том числе и огнестойкие.

При вакуум-формовании в полости между листом и поверхностью формы создается разрежение, а размягченный материал формуется в изделие с помощью наружного атмосферного давления. Методом вакуум-формования перерабатывают листовые материалы многих видов: полистирол, виниловые

полимеры, полиакрилаты, эфиры целлюлозы, поликарбонаты и др.

Рис. 8 Схема основных методов формования изделий из листового термопластичного материала

а – штампование; б – формование с проскальзыванием листа в прижимной раме; в – формование сжатым воздухом; г – вакуум-формование.

 

Выдувание можно считать разновидностью листового формования, его применяют для формовки преимущественно полых изделий из термопластичных материалов. Заготовка в виде нагре­тых трубки или двух листов помещается между двумя поло­винками разъемной металлической формы, имеющей отверстия (сопла) для подвода горячего воздуха, который нагнетается в трубку или между листами. Размягченная заготовка под давлением воздуха вытягивается и заполняет форму. Этим спосо­бом получают изделия из полиэтилена, полистирола, полиакрилатов и др.

Каландрование (обработка полимерных материалов на каландрах) по своей сути аналогично прокатке при обработке металлов давлением.

Каландр - устройство с 2-20 горизонтальными валами (обычно расположенными один над другим), между которыми пропускают полимерный материал для повышения его плотности и гладкости, нанесения рисунка или поверхностного узора, получения соответствующего профиля.

Каландрованием (рис. 9 а)получают полуфабрикаты в виде гладких или профилированных листов, лент, периодических про­филей. На каландрах производится также обрезинивание тканей для приводных ремней и транспортерных лент.

 

 

 

а б

 

Рис. 9. Схемы каландрования и макания

а - схема каландрования при производстве обрезиненной ткани,

б – схема изготовления медицинских перчаток маканием

1 – рулон ткани для обкладки, 2 – рулон прокладочной ткани, 3 – готовое изделие, 4 – модель, 5 – ванна с латексом

 

Прокатка наиболее широко применяется для производства слоистых композиционных материалов на основе полимеров.

Полив раствора полимера на холодную или нагреваемую полированную поверхность — один из первых промышленных методов, которым получались полимерные пленки и листы, в настоящее время имеет ограниченное применение. Этим методом производятся главным образом плёнки на основе целлюлозы и её производных, а также плёнки из некоторых термореактивных полимеров. Метод состоит из приготовления раствора, полива его на гладкую полированную поверхность барабана или металлической бесконечной ленты и отделения растворителя от листа или плёнки. Полученное изделие подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений.

Макание можно считать разновидностью предыдущего метода, когда тонкостенные изделия, например медицинские перчатки, получают по заранее подготовленной модели (рис. 9.15, б) многократным ее окунанием в ванну с латексом. Этот метод применяется также для изготовления других резиновых санитарно-гигиенических изделий.

Латекс представляет собой водную дисперсию синтетических полимеров, главным образом каучуков. Образуется при полимеризации соответствующих мономеров в водной среде или при эмульгировании в этой среде растворов полимеров в органических растворителях (латексы синтетические последнего типа называются искусственными).

Механическая обработка пластмасс похожа на обработку металлов резанием, однако, вследствие меньшей твердости пластмасс по сравнению с металлами, их обработку проводят при большей скорости подачи соответствующих инструментов (резцы, сверла и т.д.). Из известных методов обработки резанием для обработки пластмасс используют точение; шлифование; полирование; фрезерование; сверление и т.д.

Механической обработке подвергают в основном термореактивные пластмассы или блочные пластмассы, такие как, фторопласт и т.д., ее используют для мелкосерийной или опытной продукции, а также для удаления заусенцев, литников с изделий, полученных, например, прессованием и литьем. У прессованных и литьевых деталей поверхности, оставшиеся после снятия заусенцев, как правило, полируют.

Сверление отверстий является достаточно распространенной операцией, так как глубокие или боковые отверстия, а также отверстия малого диаметра трудно получить при прессовании.

Обрезке подвергают листовые материалы после их прессования, чем и ограничивается их обработка. Для шлифования используют шлифовальные пасты, наносимые на фетровые или войлочные диски станков, шлифовальных шкурок и шлифовальных камней на обычных шлифовальных станках. Полирование проводят на хлопчатобумажных или суконных кругах с применением или без применения полировочных паст.

Сварка пластмасс – процесс неразъёмного соединения термопластов и реактопластов, в результате которого исчезает граница раздела между соединяемыми деталями.

Выбор способа сварки зависит от материала, подлежащего сварке типа конструкции или изделия, назначения и условий эксплуатации.

Сварку термопластов производят с использованием тепла посторонних источников нагрева (газовых теплоносителей, нагретого присадочного материала, нагретого инструмента) или с генерированием тепла внутри пластмассы при преобразовании различных видов энергии (сварка трением, токами высокой частоты, ультразвуком, инфракрасным излучением и др.).

Соединение реактопластов осуществляют способом, основанным на химическом взаимодействии между поверхностями непосредственно или с участием присадочного материала (т. н. химическая сварка). Осуществление этого способа требует интенсивного прогрева поверхностей и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера токами высокой частоты или ультразвуком.

Среди различных способов сварки наибольшее распространение получили: сварка с применением газовых теплоносителей; сварка при нагреве трением; сварка контактным нагревом; сварка токами высокой частоты.

При сварке с применением газовых теплоносителей используются воздух или инертные газы, подогретые при прохождении через электронагревательные элементы. Теплоноситель прогревает термопласт в месте сварки до необходимой температуры совместно со сварочным прутком из того же материала, чем и обеспечивается сварка. Термопласты, чувствительные к кислороду воздуха (например, полиамиды) сваривают подогретым азотом. Этот вид сварки применяется в основном при изготовлении изделий из толстых листов или для сварки массивных деталей, отлитых методом литья под давлением.

В сварке при нагреве трением нашли практическое применение два способа. По первому способу свариваемые детали (обычно небольшой длины) располагают на станке соосно, одну из них закрепляют неподвижно, а другую вращают вокруг общей оси. При трении сопряженных торцевых поверхностей выделяется тепло, достаточное для сварки давлением без расплавления полимера. При достижении заданной температуры вращающаяся деталь мгновенно останавливается, и сварное соединение образуется при естественном охлаждении свариваемых поверхностей. По второму способу детали закрепляют неподвижно, а между ними вращается вставка вокруг общей оси свариваемых деталей. Дальше процесс сварки осуществляется, как и по первому способу. Этими способами обычно свариваются детали прутков и труб. Давление, возникающее в плоскости трения, достигает примерно 0,5-0,8 МПа при скорости вращения до 30 м/мин. С момента возникновения трения и до остановки станка проходит 3-25 секунд, шов затвердевает через 5-8 мин после остановки вращения детали.

Сварка контактным нагревом применяется для сваривания термопластичных материалов, не свариваемых токами высокой частоты (полиэтилен, полипропилен, фторопласты). По этому методу соединение деталей происходит в результате нагрева свариваемых поверхностей специальными инструментами с последующим их сдавливанием. Образующиеся при этом швы не уступают прочности материалу изделия. Метод нашел широкое применение при декоративной отделке конструкций и изделий, при их клеймении и маркировке, для изготовления труб из листового полиэтилена, приварки фланцев к полиэтиленовым трубам, а также для приварки полок и ребер жесткости к листам и плитам. Применяется такая сварка и при производстве толстостенных изделий из полиамидов и полиуретанов.

При сварке токами высокой частоты электрическое поле генерируется с помощью специальных электродов, одновременно являющихся зажимами для свариваемых изделий. Этими же электродами-зажимами создается необходимое давление. Данный метод применяется для сваривания материалов, которые плохо проводят электрический ток и тепло. Высокочастотное поле вызывает межмолекулярное взаимодействие по всей толщине материала, что приводит к равномерному его прогреванию. Основным преимуществом высокочастотной сварки является ее быстрота. Например, для сварки двух листов поливинилхлорида толщиной 2 мм достаточно 5 секунд.

Во всех выше перечисленных методах переработки пластмасс важнейшее место занимает вопрос о правильном подборе исходных компонентов. При этом главное внимание уделяется подбору химического строения и концентрации компонентов, которые обеспечивали бы своевременный переход от вязко-текучего к стеклообразному или частично кристаллическому состоянию. В последние годы разработано много новых способов физической модификации полимеров. Они определяются в основном возможностью регулировать, изменять, модифицировать надмолекулярную структуру полимера. К ним относится ориентационная вытяжка, направленная полимеризация, деформирование растворов полимеров с последующим удалением растворителя и др. Перевод полимера в ориентированное состояние открывает широкие возможности существенного, иногда более чем десятикратного увеличения прочности.

Следует также отметить, что все методы переработки пластмасс в изделия и полуфабрикаты характеризуются ощутимыми потерями в виде отходов. Например, при заполнении формы избыток расплава удаляется через специально спроектированные каналы в корпусе формы. Когда изделие остывает, остывает и расплав в этих каналах. Имеющиеся отростки застывшего полимера обламывают, изделие защищают, а обломки составляют неизбежные отходы.

Кроме отходов производства, много ценных пластмасс теряется в виде выброшенной упаковки. Увеличивающиеся с каждым годом отработанные (выброшенные) запасы полимерных материалов представляет собой не только ресурсы для вторичного использования, но одновременно несут в себе ощутимую угрозу экологическому равновесию в природе. Не разлагаясь длительное время, полимерные материалы – отходы препятствуют нормальному развитию растений, загрязняют поверхность земли, засоряют водные бассейны.

Уменьшение вредных последствий накопления полимерных отходов и использование их в качестве вторичного сырья осуществляется несколькими путями.

Один из таких путей основан на синтезе цепных молекул полимера, в которых содержались бы функциональные атомные группы, чувствительные к ультрафиолетовой части спектра, например, карбонильные (=С=О). Под воздействием ультрафиолетовой части видимого спектра карбонильные группы вступают в радикально-цепное взаимодействие с кислородом воздуха, в результате которого макромолекулы полимера разлагаются вплоть до низкомолекулярных продуктов, ассимилируемых окружающей средой.

Второй путь решения рассматриваемой задачи заключается в организованном (в государственном масштабе) сборе, сортировке и вторичном использовании изделий из полимерных материалов.