3115
.pdfРис. |
1.7. |
Циклограмма литиевого цнклаПла- |
|||
стикатор |
(темное поле): |
|
|
|
|
1— 2 — стадия впрЫсКа, |
червЯК |
движете# вперед; |
|||
2 — |
3 — стадия выдержки |
под делением, |
ч^РВЯК не_ |
||
подвижен; |
3 —4 — стаДия |
пластикации, червяк вра |
|||
щается; |
4 —5 — 1 — Червяк ^подвижен. |
Форма |
|||
(светлое поле); |
|
II — охлаждение |
|||
1 — стадия заполнения формы; |
|||||
изделия; III — выталкивание Изделия; IV |
форма |
||||
закрыта. |
|
|
|
|
чтобы оно было йе ниже определенных значений -во избежание образования утяжин на поверхности Изделия. Однако это остаточное Давление не должно быть чрезмерно Велико, иначе изделия будут застревать в форме.
После застывания впуска червяк вновь начинает вращаться. Расплав полимера собирается в полости, образующейся перед червя ком вследствие его осевого смещения назад* Величина объемного расхода расплава в процессе пластикации регулируется противо давлением (т. е. действующим на червяк гидравлическим давлением), которое определяет также давление, возникающее в расплаве на выходе из червяка. После того как перед червяком собралась порция расплава, необходимая для следующего впрыска, вращение червяка прекращается. Плавление полимера, находящегося в неподвижном червяке, продолжается за счет тепла, подводимого вследствие тепло проводности от горячего корпуса. Поэтому этот период времени называют временем окончательного прогрева. Тем временем отвер девшее изделие выталкивается из формы, которую закрывают и гото вят к впрыску следующей порции расплава.
Все эти операции обычно выполняются автоматически, без вся кого вмешательства со стороны оператора. Более того, для повыше ния качества изделий и уменьшения разброса в характеристиках готовых изделий в настоящее время намечается тенденция к уста новке на литьевых машинах управляющих компьютеров.
Процесс заполнения формы охватывает все наиболее сложные и интересные аспекты переработки полимеров: неизотермичность, неустановившееся течение неньютоновской жидкости в каналах со
сложной |
геометрией, сопровождающееся |
процессами охлаждения |
и структурообразования. Более детально |
все эти вопросы рассмо |
|
трены в |
гл. 14. |
|
Отмеченные трудности, несмотря на недавние интенсивные исследования теоретиков, направленные на разработку способов математического описания процесса заполнения формы, по-преж нему заставляют конструировать формы в основном эмпирическими методами. Подобно экструдерам литьевые машины выпускаются самых различных размеров, которые определяются величинами дозы впрыска и усилия смыкания.
У существующих машин величина впрыска составляет от 5 г до нескольких килограммов, а усилие смыкания достигает 50 МН. Метод литья под давлением успешно применяется для переработки не только термопластичных полимеров, но и термореактивных поли
меров и эластомеров. Одной из разновидностей метода литья под давлением является многослойное литье, позволяющее изготавли вать изделия, состоящие из ячеистого сердечника и сплошной обо лочки. При этом сердечник и оболочка могут быть отлиты из различ ных полимеров. В этом последнем случае применяют два литьевых пластикатора, впрыскивающих в форму один расплав за другим. Оболочка образуется благодаря быстрому затвердеванию на стенках холодной формы тонкого слоя расплава, который не успевает вспе ниваться.
Реакционные литьевые машины (РЛМ) и машины для литья жидких компонентов (МЛЖК), отличающиеся способами смешения ингредиентов, обычно применяются для литья жидких полиуретано вых композиций, полимеризующихся непосредственно в форме, причем на них можно получать и изделия с ячеистой структурой. Возможность очень широкого регулирования жесткости и характера ячеистой структуры полиуретанов делает этот процесс пригодным для формования самых различных изделий, в особенности изделий большого размера, при формовании которых явственно преимуще ство малой вязкости впрыскиваемых ингредиентов. Более подробное рассмотрение технологических аспектов метода литья под давлением можно найти в работах [21, 24, 25, 29].
Компрессионное и трансферное формование
При компрессионном формовании полость формы заполняется определенным количеством полимера, который не впрыскивается в закрытую форму, а приобретает конфигурацию полости формы под действием усилий, возникающих при смыкании половин формы (рис. 1.8). Сжимающее усилие, создаваемое гидравлическим прес сом, прижимает порцию полимера к стенкам формы и заставляет полимер растекаться по форме, заполняя ее полость. Этот способ формования широко применяется .для переработки термореактивных полимеров, хотя в принципе им можно пользоваться и для формова ния термопластичных полимеров. Тепло передается к полимеру от горячих стенок формы, вызывая протекание химических процес сов полимеризации и поперечного сшивания. Загружать формы можно предварительно приготовленными навесками или таблетками из формуемого полимера или заготовками пластицированного поли мера, выдавленными из червячного экструдера.
По сравнению с литьем под давлением компрессионное формова ние обладает рядом преимуществ. Конструкция форм проще, чем Шри литье под давлением; количество отходов при формовании на полненных композиций меньше; наполнители практически не раз рушаются. Недостатком является меньшая производительность про цесса и невозможность отформовать изделия сложной формы.
От этих недостатков свободно трансферное формование, которое занимает промежуточное место между компрессионным формованием и литьем под давлением. При трансферном формовании навеска полимера плавится в специальной камере, которая является частью
Метод макания заключается в погружении горячего пуансона в пластизоль, в массу порошкообразного полимера или в массу псевдоожиженного порошкообразного полимера, которые, опла вляясь на пуансоне, образуют на нем сплошной слой полимера.
Напыление порошкообразного полимера применяется для изго товления покрытий из ПВХ, ПЭ, ПП, полиэфиров и полиакрилатов.
Усовершенствованной разновидностью напыления является электростатическое напыление, при котором частицам порошко образного полимера сообщается заряд одного знака, а изделию, на которое наносится покрытие, — другого. В результате получается более однородное покрытие и повышается производительность процесса.
Тонкодисперсные полимерные порошки можно наносить на вну треннюю поверхность формы при помощи различных разновидностей метода спекания [30]. Так, полость формы может быть заполнена порошком, а затем излишний материал высыпается подобно тому, как это делается при обычном формовании спеканием.
Раздув
Весьма важным методом переработки полимеров является раздув, применяемый для изготовления различных полых изделий, напри мер бутылок. Этот метод заимствован из стекольной промышлен ности. На первой стадии процесса из расплава формуется полая заготовка. Обычно это делается методом экструзии. Заготовка по мещается между двумя полуформами и в нее нагнетается воздух (как в резиновый шар). Заготовка раздувается и приобретает кон фигурацию полости формы. Полимер, соприкасающийся с холодными стенками формы, быстро твердеет, и готовое полое изделие вытал кивается из формы.
Существует ряд разновидностей метода раздува: экструзионнораздувное формование, литьевое раздувное формование, формование раздувом с предварительной вытяжкой заготовки.
Имеется две разновидности экструзионно-раздувного формо вания: непрерывное и периодическое.
Первая разновидность формования применяется для изготовле^- ния изделий емкостью до 4 л. Она отличается тем, что червячный экструдер непрерывно экструдирует через одну или несколько фильер полые заготовки. Процесс второго типа может быть реали зован в трех различных вариантах: червяк с осевым перемещением^, плунжерный аккумулятор, головка-аккумулятор. Последний обычно применяют для изготовления наиболее крупных изделий.
На рис. 1.10 приведены схемы, иллюстрирующие методы непре рывного экструзионно-раздувного формования, периодического экс трузионно-раздувного формования с осевым перемещением червяка и экструзионно-раздувного формования с применением поршневого
аккумулятора расплава.
Периодический способ формования заготовки в большей мере соответствует особенностям технологии формования методом раз-
Рис. 1.11. Заготовка с программным изменением толщины стенок. Числа на рисун ке — значения толщины стенок заготовки (справа) и изделия (слева) в мм.
Рис. 1.12. Трехпозиционная ротационная машина для литьевого раздувного формо вания:
1 — литье заготовки; 2 — раздув; 3 — выгрузка.
Экструзия свободно висящих заготовок неприменима для формо вания крупных заготовок из-за вытяжки их под действием собствен ного веса и коробления вследствие скручивания.
При литьевом методе раздува заготовка формуется на стальном сердечнике при впрыске расплава в форму (рис. 1.12). Сердечник с полностью отформованной винтовой горловиной переносится на позицию раздува, на которой производится окончательное формова ние раздувом без всяких отходов в виде облоя на сварном стыке заготовки. Нужное продольное распределение толщины заготовки задается конструкцией полости формы и не нуждается ни в каких дополнительных методах управления.
При формовании литьевой заготовки материал подвергается некоторой продольной ориентации. Поэтому изделия получаются до некоторой степени двухосно-ориентированными. Разновидностью метода раздува, при которой за счет двухосной ориентации получают
изделия существенно более |
высокого качества, является раздув |
с вытяжкой (рис. 1.13). При |
этом способе заготовка вначале под |
вергается механической продольной вытяжке, создающей продоль ную ориентацию. После вытяжки осуществляют раздув, который приводит к возникновению тангенциальной ориентации. Благодаря двухосной ориентации сущест венно улучшаются механиче ские и оптические свойства
Рис. 1.13. Производство ориентирован ных бутылок методом раздува с вытяж кой (заготовка подогрета, установлена на сердечник и помещена в форму):
а — заготовка в форме; б — сердечник вы двигается, и предварительно раздутая за готовка вытягивается до соприкосновения со стенками формы; в — раздув заготовки
полностью завершен,
\, „ л |
л |
. Л |
f -f + -!- |
Д И II 1 |
|
Л Л 1 |
/г
Л ______ П |
|
1 П |
1 1 |
I |
|
|||
II |
II |
II |
1 |
|
|
|
||
* |
* |
* |
J |
|
4 |
|
|
|
Рис. 1.14. Схемы двух |
методов термофор |
|
|
|||||
мования: |
|
|
|
|
|
|
|
|
a — вакуум-формование |
(/ |
— лист |
термопла |
*J |
|
|||
ста закреплен |
над формой; |
2 — нагрев листа; |
6 |
|||||
3 — формование; 4 — выгрузка готового изде- |
||||||||
лия); б — вакуум-формование с предваритель |
2 — предварительная вытяжка; 3 — |
|||||||
ной вытяжкой на пуансоне (/ — нагрев заготовки; |
||||||||
вакуум-формование; |
4 — выгрузка |
готового изделия). |
|
изделий, снижается газопроницаемость. Все это позволяет сущест венно уменьшить толщину стенок и массу изделия. Для этой раз новидности метода раздува большое значение имеет поддержание температурной однородности расплава и температуры вытяжки за готовки.
Термоформование
Плоские полимерные пленки и листы можно использовать для изготовления сравнительно глубокой тары рядом способов формова ния, известных под названием «термоформование». Во всех этих способах плоская заготовка закрепляется в зажимной рамке, которая прижимает ее по всему периметру, и нагревается чуть выше темпе ратуры плавления (Тт) или стеклования (Т8). Так как при нагреве
лист ничем не подпирается и может свободно провиснуть под дей ствием собственного веса, применяемые для термоформования марки полимеров не должны быть склонными к ползучести. Это требование в особенности касается сополимеров АБС и ударопрочного поли стирола, которые обычно применяют для получения изделий методом термоформования.
После того как прогретый лист закреплен над формой, его за ставляют принять конфигурацию формы, используя один из следу ющих методов: а)'вакуум-формование (вакуум создается в полости формы при откачивании воздуха через имеющиеся в форме отверстия или каналы); б) пневмоформование (избыточное давление воздуха или газа, равное 0,05—2 МПа, прижимает лист к форме); этот метод применяют для формования изделий из более жестких полимеров; в) штамповка в форме (усилие создается плунжером подобно тому, как это делается при штамповке металла); конфигурация плунжера подобна конфигурации полости матрицы; если формование проис ходит при температуре ниже, чем температура плавления (или стек лования), этот метод превращается в метод холодной вытяжки или «холодного формования».
Пока лист остается прижатым приложенным к нему усилием, материал изделия охлаждается, так как тепло из него отводится за счет теплопередачи к холодным стенкам формы. Процесс охлаждения не вызывает затруднений при формовании тонкостенных изделий (таких, как чашки, тонкостенные контейнеры) с продолжи
тельностью цикла 1 |
2 с. Однако стадия охлаждения может оказаться |
|
определяющей при |
переработке листов |
толщиной 0,25—1,25 см |
из ^частично-кристаллических полимеров, |
для которых характерна |
невысокая скорость кристаллизации. При переработке листов про должительность цикла обычно высока, но зато удается Сформовать крупные изделия диаметром до^4 м/На"рис.Ч.14 представлены'схемы вакуум-формования и вакуум-формования с предварительной вытяж кой плунжером.
Основным преимуществом термоформования является низкая стоимость оснастки. Головные образцы и малые серии можно изгота вливать в деревянных и эпоксидных формах. Производственные формы можно изготавливать из алюминия, так как усилия формо вания невелики, но требуются высокие скорости теплоотвода. Лишь для метода холодного формования необходимы стальные закаленные формы. Другое преимущество этого метода заключается в том, что он, как и метод раздува, может быть реализован непосредственно на предприятии, на котором изготавливаются изделия, деталями кото рых являются термоформованные элементы. Основной недостаток термоформования состоит в том, что с его помощью можно получать изделия лишь сравнительно простой формы^с малой величиной под нутрений, так как в противном случае приходится применять слож ные пресс-формы с подвижными утопляемыми вкладышами. 1 >
Термоформование относят к вторичным методам переработки, поскольку при этом методе изделия формуются из плоской заготовки (пленка, лист), полученной методом экструзии. Однако типичный агрегат для термоформования может быть выполнен как совместно с экструзионной установкой, так и без нее; Если объем производства не очень велик, то при формовании изделий из тонкостенных пленок используют рулоны пленки, изготовленные в другом месте. Более подробно термоформование рассмотрено в гл. 15.
Оригинальный процесс, в котором более широко используется возможность термоформования, — это так называемое топоформова* ние [22], или предварительное формование заготовки с последующей вытяжкой (рис. 1.15). Расплав образуется в экструдере с осевым
Рис. 1.15. Топформование по методу Гамильтона:
1 — экструзия заготовки и формование листа; 2 — ва куум-формование с предва рительной вытяжкой на пу ансоне; 3 — выгрузка гото вого изделия.
перемещением червяка. Порция расплава впрыскивается в плоский канал, в котором материал сжимается и превращается в тонкостен ную заготовку. Затем заготовка переносится на механизм для термо формования, на котором и производится формование одним из опи санных выше способов. Этот процесс имеет много преимуществ, отходы материала минимальны, так как прессованная заготовка может иметь любую форму; можно изготавливать заготовки с задан ным профилем толщины; и, наконец, что наиболее существенно, плоская заготовка не подвергается 'охлаждению и последующему разогреву, а остается горячей до тех пор, пока не соприкасается с поверхностью формы.
Другие технологические процессы. Смешение. Отделка
Кроме рассмотренных выше основных технологических процес сов существует бесчисленное множество других, менее распростра ненных процессов. Более того, каждый из основных технологических процессов можно подразделить на большое число очень специфи ческих процессов. Однако обсуждение их не входит в задачи насто ящей книги, в которой рассмотрены основные физико-химические принципы, лежащие в основе всех методов переработки. Технические детали индивидуальных технологических процессов, имеющие важ ное значение для технологии переработки полимеров, освещены
в литературе.
Наконец, смешение и отделка — начальная и конечная стадии технологии изготовления изделия — оказывают определяющее вли яние на качественные показатели любого технологического процесса. Смешение может осуществляться в самых различных смесительных аппаратах, некоторые из них рассмотрены в гл. 11. Отделочные операции состоят из таких многочисленных процессов, как меха ническая сборка, соединение отдельных частей (адгезионное, элек тромагнитное), герметизация (теплом, ультразвуком, токами высокой частоты), сварка (контактная, горячим газом, фрикционная, с присадочным материалом), окраска, гальваническая металлизация, вакуумная металлизация, типографская печать, покрытие ворсом и т. д. Каждый такой процесс требует создания специальной техно логии и применения специализированного оборудования. Подробное детальное рассмотрение особенностей каждого из этих процессов или даже только описание их физической сущности выходит за пре делы задач настоящей книги, и читателю рекомендуется обратиться к специальной литературе.
1.2.Анализ процессов переработки полимеров
спозиций элементарных стадий
Технология переработки полимеров традиционно рассматри вается как сумма наиболее распространенных технологических процессов: экструзии, литья под давлением, формования раздувом, каландрования, смешения и диспергирования, ротационного формо-
вания и т. п. По мере превращения науки о переработке полимеров в хорошо определенную и хорошо изученную инженерную дисци плину необходимо пересмотреть этот ставший классическим подход
канализу процессов переработки, поскольку принятый метод раз дельного описания упомянутых технологических процессов приводит
кнеоправданным сложностям и повторениям при изучении инженер ной технологии полимеров. Тщательно разработанный метод анализа должен выявить внутреннюю структуру и физическую общность
существующих процессов. Это позволило бы: 1) четко сформулиро вать универсальные элементарные стадии, на которые можно раз ложить все технологические процессы; 2) создавать новые техно логические процессы, различным образом комбинируя элементарные стадии. vtt
Первый шаг при таком анализе технологии переработки полимеров состоит в четком определении ее цели. В данном случае целью, не сомненно, является формование полимерных изделий. Формованию изделия могут предшествовать манипуляции, посредством которых модифицируются свойства полимера и он подготавливается к стадии формования. Готовые изделия могут подвергаться обработке, улуч шающей их внешний вид. Тем не менее основным содержанием технологии переработки полимеров остается формование изделий.
Выбор метода формования определяется конфигурацией изделия. В тех случаях, когда можно использовать несколько различных методов, учитываются соображения экономики. Все многообразие методов формования, применяемых в промышленности переработки пластмасс, можно свести к следующим основным группам: 1) калан-
дрование и нанесение |
покрытий; 2) экструзионное |
формование; |
|||||
3) |
формование |
оболочек |
на |
пуансонах |
и |
матрицах; |
4) формование |
в |
пресс-формах |
литьем |
под |
давлением |
и |
заливкой; |
5) вторичное |
формование.
Первая группа способов формования — это непрерывные уста новившиеся процессы. Каландрование принадлежит к числу ста рейших способов переработки и широко применяется в резиновой промышленности и промышленности переработки пластмасс. К этой
группе относится как классическое каландрование, так и различные непрерывные способы формирования покрытий, такие, как нанесе ние покрытий способом шпредингования (с помощью ракли или
валика).
Экструзионное формование, являющееся наиболее важным про мышленным методом, включает в себя все возможные способы формо вания, которые сводятся к продавливанию расплава через фильеру. К этой группе относится формование волокна из расплава, экструзия пленок и листов, труб, шлангов и профилей, нанесение изоляции на провода и кабелиВсе методы формования, входящие в эту группу, также являются непрерывными процессами в отличие от методов, относящихся к трем последним группам, которые носят периоди
ческий характер.
«Оболочковое формование» охватывает такие методы, как мака ние обратное макание, напыление порошком и ротационное формо