Історичний огляд розвитку переробки пластмас

Устаткування для переробки і технологічні методи, які використовуються в переробці пластмас, спочатку використовувалися в гумовій промисловості.

Найперша з документально відомих машин для переробки полімерів - це «пластикатор» для каучуку, сконструйований в Англії в 1820 р. Т. Ханкоком для переробки відходів, що залишалися від виробництва гумових підтяжок.

1835 р. (США) Е. Шаффе побудував двохвалкові змішувальні вальці з паровим обігрівом, призначені для введення в каучук додаткових компонентів. Він же створив перший каландр, призначений для безперервного нанесення гуми на поверхню тканини або шкіри.

1845 р. (Англія) Перші плунжерні екструдери були розроблені Г. Б’юлі і Р. Бруменом. Комбінація цих машин використовувалася для накладення ізоляції на провід. Перший підводний кабель, прокладений між Дувром і Кале в 1851 р., був виготовлений на такому екструдері.

Проте плунжерна екструзія є періодичним процесом. Колосальна потреба в безперервній екструзії, особливо у виробництві кабелів і ізольованих проводів, призвела до найбільш важливого досягнення в області переробки - створенню черв’ячного екструдера.

1860 р. (США) Винахідником першого черв’ячного екструдера був А. Г. Вольф. Фірма «Фенікс Гумміверке» опублікувала креслення черв’яка в 1873 р.

В. Кайл і Д. Пріор у США заявили, що така машина була ними створена в 1876 р. Проте датою народження екструдера, прийнято вважати 1879 р., коли М. Грей запатентував свою конструкцію в Англії. Незалежно від Грея черв’ячний екструдер був винайдений Ф. Шоу і Д. Ройлом у США в 1880 р.

1870 р. Д. С. Сміт і Д. А. Лок винайшли машину для виробництва виробів литтям під тиском. Хоча цей винахід був розрахований для лиття легких металів, він став основою для створення плунжерних литтєвих машин для пластмас. Двома роками пізніше Д. В. Хіат одержав патент на таку машину. Хіат був піонером в області переробки полімерів: він винайшов целулоїд, вніс у переробне устаткування багато удосконалень, які допомогли швидкому освоєнню виробництва і переробки феноло-формальдегидних термореактивних пластмас, винайдених Л. Бакеландом у 1906 р.; нарешті, саме він уперше запропонував метод формування роздуванням.

1916 р. Створення Ф. X. Бенбері змішувача (змішувач Бенбері) закритого типу для змішуванні каучуку з великою кількістю тонкодисперсного технічного вуглецю й отруйних органічних прискорювачів вулканізації.

До початку бурхливого розвитку виробництва полімерів і промисловості переробки пластмас після другої світової війни згадані вище машини були основним переробним устаткуванням. Удосконалення цих і створення нових машин у наступні роки призвело до формування сьогоднішнього арсеналу різноманітних машин і методів переробки.

В галузі переробки полімерів можна виділити чотири основні напрямки:

1. Приготування композицій, що володіють властивостями, відмінними від властивостей основного полімеру. Введення в полімер інгредієнтів, що покращують його експлуатаційні (або технологічні) властивості. В даний час створення композицій - це ціла галузь промисловості переробки полімерів. Введення стабілізаторів, пластифікаторів, наповнювачів, барвників і ін. стало невід’ємною частиною процесу виробництва полімерних матеріалів.

2. Виготовлення виробів із термопластичних матеріалів. При цьому протікають такі основні процеси: а) плавлення матеріалу; б) пластична деформація матеріалу, в результаті якої в’язкій масі надається конфігурація майбутнього виробу; в) охолодження матеріалу до температури теплостійкості, при якому може зберігатися надана йому форма.

3. Виготовлення виробів із термореактивних матеріалів (термореактивні пластмаси, гумові суміші). Остаточне формування хімічної структури цих матеріалів відбувається на останній стадії процесу переробки, що складається з таких етапів: а) нагрів матеріалу до переходу у в’язкопластичний стан; б) пластична деформація матеріалу, у процесі якої в нього вводяться необхідні додаткові інгредієнти; в) нагрів готового виробу до температури отвердження (або вулканізації), при якій у матеріалі протікають хімічні реакції, що забезпечують утворення просторової структури.

4. Виготовлення виробів безпосередньо з мономерів. При переробці цим методом реакція полімеризації протікає у формі, процес утворення полімеру суміщається із процесом формування готового виробу.

В даний час в промисловості переробки полімерів більш широко використовуються перші три напрямки. Через це найбільш глибоко розроблені відповідні технологічні процеси і методи їхнього теоретичного опису.

Легко зрозуміти інтерес до науково обґрунтованих методів розрахунку технологічних режимів і конструюванню нового переробного устаткування. Так, повне і усестороннє вивчення процесу екструзії потребує встановлення зв’язку між 12 незалежними і 15 залежними параметрами. Цілком очевидно, що задача експериментального встановлення оптимуму по будь-якому обраному комплексу параметрів потребує тривалих експериментів.

Внаслідок великої продуктивності сучасного переробного устаткування і високої вартості технологічних ліній, проведення експериментальних досліджень реального процесу переробки полімерів перетворюється в дорогий і тривалий процес. Тому доцільно вивчати особливість кожного конкретного методу, розглядаючи спочатку його теоретичний опис, тобто його математичну модель.

При такому підході в кожному конкретному випадку перед етапом фізичного експерименту (створення нескладної установки, конструювання технологічної лінії або випробування нового технологічного режиму) завжди має бути етап теоретичного експерименту. На цьому етапі немає необхідності проводити реальні експерименти – замість цього досліджуються кількісні характеристики процесу, отримані розрахунковим методом.

Такий підхід дозволяє істотно знизити об’єм фізичного експерименту, оскільки потреба у ньому виникає на самій останній стадії – не в процесі пошуку основних закономірностей, а для перевірки й уточнення отриманих теоретичних результатів. Зрозуміло, для того щоб досліджувані теоретичні моделі процесів описували ці процеси з достатнім наближенням, вони неодмінно повинні враховувати основні особливості явищ, що моделюються та унікальні деформаційні властивості полімерів, які визначаються довжиною і рухливістю макромолекул. В міру розвитку теорії процесів переробки полімерів було встановлено, що для правильного визначення основних параметрів технологічного процесу велике значення мають відомості про деформаційні характеристики розплаву полімеру, отримані в широкому інтервалі температур і швидкостей деформації. Залежності такого роду одержують експериментально за допомогою реологічних досліджень полімерів.

Тому, для побудови моделей переробки потрібні знання про деформаційні характеристики, закономірності течії розплавів полімерів, їх молекулярної і надмолекулярної структури.

При підході до побудови математичних моделей усі відомі процеси переробки можливо ототожнити з набором окремих задач, які відрізняються між собою тільки початковими і граничними умовами. Кожна з таких задач повинна містити рівняння руху матеріалу, рівняння матеріального балансу, рівняння енергетичного балансу і реологічні рівняння стану, які характеризують опір середовища прикладеним до неї зовнішнім зусиллям.

Нажаль, така постановка задачі у більшості випадків є практично неможливою, і при математичному описі реальних, виробничих процесів доводиться використовувати суттєві спрощення. При цьому, значну допомогу в створенні математичних моделей процесів переробки надає аналіз більш простих випадків руху аномально-в’язких рідин. Він дає можливість незалежно встановлювати основні закономірності найбільш простих випадків одномірної ізотермічної та неізотермічної течії псевдопластичних рідин, вибраних як математичний аналог полімерних розплавів.

Лекція 2.

План лекції.

1. Огляд технологічних процесів та обладнання в переробці полімерів.