3115

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

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-

/г

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

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-

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