Суберляк О.В. "Технологія переробки"

181

Рис. 5.7. Епюри розподілу Pт і по висоті таблетки а – одностороннє; б – двостороннє

Попередній підігрів прес-матеріалу. Якщо під час пресування РП прес-матеріал завантажується холодним (особливо таблетований), значно утруднюється процес формування. Внаслідок поганої теплопровідності топлення матеріалу в прес-формі проходить з поверхні, тому сировина у формі буде неоднорідна за в’язкістю. Після змикання прес-форми необхідна витримка для остаточного топлення зв’язного і вирівнювання температури в усьому об’ємі, що подовжує тривалість процесу. Для усунення цього недоліку дуже часто проводять попередній підігрів матеріалу до температури розм’якшення зв'язного за межами прес-форми. Підігрів можна здійснювати: а) в повітряних термошафах; б) з допомогою інфрачервоного випромінювання; в) струмами високої частоти. Останній метод найбільш продуктивний і застосовується найчастіше.

Підігрів високочастотним струмом оснований на перетворенні енергії електромагнітних коливань в теплову в результаті розсіювання енергії при коливному русі полярних груп макромолекул і дипольних молекул мінерального наповнювача, який виникає під дією електромагнітних хвиль струму високої частоти. Потужність генератора, яка перетворюється в теплоту, визначається за виразом:

У заводських умовах використовують генератори з частотою струму 15 40 МГц, які мають робочу поверхню (стіл) пластин конденсатора 300 × 300 мм.

З залежності (5.6) видно, що споживана потужність в першу чергу залежить від природи матеріалу: чим більше значення і tg , тим більше нагріється матеріал при рівних f і Е. Як нам відомо, і tg , зростає з збільшенням полярності полімеру. В зв’язку з цим високочастотні діелектрики (поліетилен, пропілен) практично не нагріваються в полі високої частоти. З наповнювачів найбільш сильно розігріваються мінеральні наповнювачі, і процес їх розігріву полягає в їх іонній поляризації і коливанні утворених іонних пар.

Режим попереднього підігріву струмами високої частоти. Параметри процесу.

Режим нагріву включає такі параметри: напруженість електричного поля, час нагріву, температура, до якої нагрівають матеріал.

Напруженість електричного поля є функцією відстані між пластинами, яка повинна бути оптимальною, забезпечувати необхідну температуру нагріву і не призводити до перевищення пробивної напруги матеріалу. Напруженість, як видно з (5.2), регулюється

182

відстанню Η між пластинами при постійній напрузі. Експериментально встановлено, що для феноло–формальдегідних прес-матеріалів H = 8 12 мм, для амінопластів H = 10 14 мм.

Час прогрівання є важливим параметром процесу, оскільки визначає його продуктивність, впливає на досягнуту температуру і якість матеріалу.

Час підігріву можна визначити експериментально (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Зміна температури від часу нагріву

Існує і аналітичний метод визначення часу нагріву:

де: і с – питомі густина і теплоємність прес-матеріалу; Тн і Т0 – температура матеріалу після і до нагріву; т – коефіцієнт втрат теплоти в навколишнє середовище, = 0,4 0,5; Ке – коефіцієнт, який враховує вплив на напруженість електричного поля повітряного простору між полімером (прес-матеріалом) і пластиною:

де: в – висота повітряного простору; і – константи, які залежать від природи зв’язного, так для феноло-формальдегідного прес-матеріалу 1,25, 2,23.

Загалом час нагріву на сучасних генераторах складає 10 30 с і при цьому досягається температура матеріалу Тн = 80 130 °С. Час нагріву і температура матеріалу залежать від його природи і від особливостей технологічного процесу фopмyвaння. Так, Тн = 120 130 °С необхідна для прес-матеріалів з великим часом затвердження і при формуванні великогабаритних виробів нескладної конструкції. При пресуванні прес-матеріалу з малим часом затвердження Тн = 80 120 °С.

Крім цього, слід пам’ятати, що цикл пресування складає 2 5 хв, а час нагріву – секунди, тому роботу генератора і преса потрібно узгоджувати, щоб не було перегрівів (оскільки можливі затвердження, деструкція), а також охолодження (при завершенні підігріву задовго до закінчення циклу пресування).

Переваги попереднього підігріву:

1.Можливе підвищення температури пресування на величину до 30 °С.

2.Скорочується час витримки під тиском до 2 раз, що дає підвищення продуктивності.

3.Зростає текучість прес-матеріалу (оскільки забезпечується повне пpoгpівання і однорідне топлення в об’ємі), внаслідок чого знижується тиск пресування до 50 %, що призводить

183

також до зменшення енерговитрат і зносу прес-форми. Крім цього, полегшується формування виробів складної конфігурації.

4.Зменшується брак і покращуються властивості виробів за рахунок підвищення однорідності структури за товщиною виробу і зниження внутрішніх напружень.

Недоліки попереднього підігріву:

Можливе швидке затвердження прес-матеріалу в процесі нагрівання, що може призвести до втрати технологічності прес-матеріалу (коли неправильно вибраний режим підігріву, або використовується високореакційне зв’язне).

Завершувальні стадії процесу пресування – це, в першу чергу, механічна обробка, термообробка, склеювання, збирання з елементів, декоративна обробка.

Термообробка (термовідпал або термостабілізація) проводиться при виготовленні великогабаритних різнотовщинних виробів, використовується для усунення можливого жолоблення виробу після зняття його з прес-форми. Операція проводиться при підвищеній температурі, тому сприяє більш повному і рівномірному завершенню процесу затвердження зв’язного та релаксації внутрішніх напружень, що призводить до покращення фізикомеханічних властивостей виробу.

Для термообробки, як правило, використовують сухоповітряні термошафи з циркуляцією нагрітого повітря. Термообробку виробів, крім шаруватих пластиків, можна проводити у ваннах з мінеральною оливою.

Виріб вкладають в металеву рамку (оправку) і поміщають в термостат. Операцію інколи називають нормалізацією. Вона полягає в швидкому, короткочасному нагріві до потрібної температури з наступним повільним охолодженням. Як зазначалось, такий процес сприяє релаксації внутрішніх напружень у виробі окрім зрівноваження ступеню зшивання зв’язного.

Механічна обробка полягає у висвердлюванні отворів, фрезеруванні пазів в місцях, де неможливе оформлення їх у формі, а також проводиться для зняття грату (переливки). Операція клопітка, вимагає великих трудовитрат, тому її слід максимально автоматизувати і механізувати. Найбільш реальний шлях – це використання верстатів-автоматів і роботівманіпуляторів. При їх використанні значно скорочуються витрати ручної праці і покращуються умови праці.

Операції склеювання, декорування і збирання вузлів проводяться для надання виробу товарного вигляду.

Переробка відходів. У процесі виробництва при пресуванні неодмінно виникають технологічні відходи – брак, матеріал після запуску обладнання, ґрат. Ці відходи – це затверджений матеріал, який не піддається повторній переробці, а тому довгий час вони вивозились на звалище, що призводило до засмічення навколишнього середовища матеріалами, які не піддаються біодеградації.

Виходячи з екологічної і економічної точки зору, на сьогодні розроблені заходи з утилізації відходів.

Одним з методів використання їх – це спалювання з метою нагрівання технологічних рідин (води, оливи тощо), а також для нагрівання виробничих приміщень. Метод полягає в тому, що тонко подрібнений матеріал упорскується через форсунку у вигляді аерозолю разом з нафтопродуктами і згоряє в печі при температурі до 1000 °С в потоці повітря, збагаченого киснем.

При цьому утворюється СО2, Н2О з високою температурою та залишається мінеральний шлак у невеликій кількості. Утворені нагріті гази та пара перед викидом в атмосферу проходять через теплообмінник, де нагрівають технологічну рідину, що безперервно перетікає трубами теплообмінника, або ж нагрівають воду з нагрівної системи приміщень.

184

Другий метод утилізації полягає в тонкому помолі затверджених відходів і повторному додаванні їх (5 – 7 %) як наповнювачів до вихідної сировини при масовому виробництві (невідповідальних) виробів.

б) Стадія формування виробів (пресування)

Стадія пресування полягає в наданні виробу необхідної форми і фізико-механічних властивостей і складається з таких операцій:

–підготовка оснащення (прес-форми);

–дозування і завантаження сировини;

–змикання прес-форми;

–*підпресовки;

–витримка під тиском;

–розмикання форми;

–виштовхування і зняття виробу з форми.

–технологічна пауза.

Стадії, які відмічені зірочкою, залежно від умов виробництва можуть не проводитись/ Розглянемо окремо призначення і суть кожної операції.

Підготовка оснащення при запусканні процесу – це встановлення форми на прес в центрі плит преса співосно дії тиску і закріплення (спочатку до нижньої плити). Потім опускається верхня плита і кріпиться до неї верхня частина форми. Далі встановлюється холостий і робочий хід відповідно до об’єму завантажувальної камери і габаритів форми. Після встановлення форми вмикається її нагрівання та проводиться підготовка формувальних поверхонь.

В процесі роботи: очищається форма від забруднень і змащується антиадгезивною рідиною (віск, стеаринова кислота, силіконова рідина), а також перевіряють хід пуансона і роботу нагрівальних елементів.

Дозування та завантаження сировини. В форму завантажується сировина в кількості, яка дорівнює масі відпресовки плюс технологічні відходи. Як ми вже знаємо, в більшості випадків після дозування проводять попередній підігрів і підігріту сировину подають в форму. Дозування проводять одним з трьох відомих методів вручну або з використанням автоматів, чи роботів-маніпуляторів.

Дозування можливе за допомогою шнекової приставки, яка працює за принципом екструзійного апарату, узгоджено э циклом пресування і подає у відповідний момент у розімкнену і підготовлену форму необхідну дозу гомогенізованої розтопленої сировини. При завантаженні шнековою приставкою значно інтенсифікується процес пресування, підвищується якість виробу, а також є можливість автоматизувати його і здійснювати процес у неперервному режимі. При завантаженні необхідно стежити за розподілом прес-матеріалу в порожнині форми.

Змикання прес-форми. Віддаль між верхньою і нижньою плитою преса завжди перевищує висоту порожнини форми, включаючи завантажувальну камеру, що обумовлене необхідністю вільного і безпечного зняття виробів. Тому для скорочення часу формування (тобто підвищення продуктивності праці) хід пуансона при змиканні ділять на 2 зони: зони холостого (вільного) ходу і робочого ходу. Першу зону пуансон проходить швидко (до контакту його з верхньою частиною матриці – в багатьох випадках це дотик до матеріалу). Зона робочого ходу полягає у спресовуванні і розтисканні сировини по всій формувальній порожнині і створення необхідного тиску для надання матеріалу потрібної монолітності. Вона відзначається малою швидкістю ходу пуансона, яка обумовлена запобіганням викидання частини матеріалу з форми, а також для покращення розтікання матеріалу порожниною форми. При малій швидкості руху пуансона зменшується зношуваність пресформи.

185

Окремий випадок – після холостого ходу пуансон зупиняють на деякий час (здійснюють паузу). Це проводять, коли:

–низька температуропровідність матеріалу і не було попереднього підігріву;

–прес-матеріал відзначається низькою в'язкістю (високою текучістю);

–формуються різнотовщинні вироби складної конфігурації з тонкою арматурою. Під час змикання форми можливе проведення підпресовок.

Підпресовки здійснюються після досягнення в формі необхідного тиску пресування і вони полягають у підйомі пуансона на відповідну висоту (короткотривале розмикання форми).

Підпресовки проводяться з метою:

–видалення вологи і летких з прес-матеріалу,

–підвищення монолітності матеріалу;

–покращення затікання прес-матеріалу в порожнину форми.

Вони не проводяться при наявності тонкої арматури, прохідних знаків і при малому часі затвердження прес-матеріалу ( затв). Підпресовки в зв’язку з цим проводять для покращення якості виробу, підвищення його фізико-механічних властивостей, рівнотовщинності, монолітності і зменшення браку. Крім цього, підпресовки призводять до зменшення часу витримки під тиском (час на затвердження). Як це видно з рис. 5.8 час може зменшуватись до 40 %, що дозволяє інтенсифікувати процес пресування взагалі, оскільки стадія витримки під тиском є найтривалішою. Скорочення часу швидше всього пов’язане з підвищенням швидкості затвердження внаслідок додаткового видалення води і летких речовин, які гальмують реакцію за законом Ле-Шательє у рівноважних процесах, як побічний процес реакції.

З рисунка видно, що оптимальною кількістю підпресовок є 2 ÷ 3, максимально – 4. Підпресовки характеризуються такими параметрами:

1.Інтервал підпресовок – час, протягом якого можна їх проводити. Цей час рівний часу перебування матеріалу у в’язкопластичному стані.

2.Початок підпресовок – час від змикання форми до першого підйому пуансона. За цим параметром розрізняють:

–ранні підпресовки, коли перший підйом пуансона проводять в часі до 10 с після змикання;

–пізні підпресовки – до 30 с.

3.Тривалість підпреcовки – час, протягом якого форма перебуває в розімкненому стані: для швидкотверднучих матеріалів цей час становить 5 с, для інших – до 10 с.

4.Висота підйому пуансона:

–низькі підпресовки – до 10 мм,

–високі підпресовки – до 30 мм.

Взагалі, висота визначається конструкцією форми і висотою виробу.

5.Кількість підпресовок встановлюють експериментально (за якістю виробу), оптимальну – за допомогою графіка, зображеного на рис. 5.9. Розглянемо цикл пересування з підпресовками.

Взагальному цикл пресування – це всі операції, які складають стадію пресування (формування виробу) і включає такі часи на: змикання форми, витримку під тиском (в який входить час підпресовок), розмикання форми, знімання виробу і технологічну паузу. Отже цей процес можна зобразити циклограмою зображеною на рис.5.10.

Витримка під тиском – найтриваліша і відповідальна операція, оскільки залежить від швидкості затвердження зв’язного і впливає на якість виробу і продуктивність процесу. Проводиться з метою повного (остаточного) оформлення виробу з необхідними фізико-

186

механічними властивостями. Тривалість операції залежить від теплофізичних і технологічних характеристик прес-матеріалу і від технологічного режиму пресування (Р, Т, підпресовки, попередній підігрів). Час витримки включає нагрів до повного топлення матеріалу його монолітизації і затвердження зв’язного. Як зазначалось, на час витримки впливає і попередній підігрів та таблетування.

Рис. 5.9. Вплив кількості підпресовок на швидкість процесу формування

Окремий випадок: пресування шаруватих пластиків. В даному випадку витримка під тиском проводиться протягом повного затвердження зв’язного без підпресовок, включаючи повне охолодження виробу. Через погану теплопровідність пластику процес досить довготривалий і час залежить від товщини відформованого пакету.

Розмикання форми і зняття виробів. Ця операція включає: розмикання – підйом пуансона (робочий і холостий хід); виштовхування виробу з порожнини форми виштовхувачами; видалення виробу з проміжку між півформами і подача його на наступну операцію. Видалення виробу і переміщення на наступну стадію пов’язано з контактом з гарячою поверхнею, яка має високу температуру (затвердження відбувається при високій Тпр), крім цього, можливі дотики до високонагрітої поверхні форми, а також не виключено дотик до пуансона. Все це може призвести до травматизму. Тому з метою інтенсифікації процесу, зменшення ручної праці і з метою охорони праці і техніки безпеки слід використовувати для зняття і переміщення виробів роботи-маніпулятори. Викручування різьбознаків слід здійснювати при допомозі механічних пристосувань, які б працювали узгоджено з маніпуляторами, або з розмиканням форми.

Після зняття вироби охолоджуються природним шляхом. Великогабаритні вироби для запобігання жолоблення охолоджуються в штивній оправці. В такій оправці вироби відразу можуть подаватись на термостабілізацію. При відсутності механічних пристроїв знімання виробів їх знімають вручну, користуючись теплоізоляційними рукавицями.

На наступній операції вироби можуть подаватись складені у тарі, або ж за допомогою стрічкового конвеєра.

Пресування – це найбільш трудомісткий процес, який на сьогоднішній день на багатьох виробництвах вимагає великої частки ручної праці. Тому, враховуючи корисність пресування, і його незамінність в багатьох випадках пресування великогабаритних, а також теплостійких, високоміцних виробів, слід вживати заходи до його інтенсифікації, зменшення ручної праці, автоматизації виробництва.

Зменшення ручної праці, як вже зазначалось вище, можливе при використанні механізованих чи автоматизованих пристроїв завантаження, дозування, зняття та сортування виробів: це роботи-маніпулятори, шнекові приставки-дозатори, автомати-дозатори і автомати-сортувальники.

188

Використання цих засобів дає можливість проектувати повністю автоматизований технологічний процес. Але в цьому випадку потрібна механізація і автоматизація транспорту (пневмотранспорт, конвеєр, вакуум-транспорт). Крім цього, автоматизація лінії можлива при великосерійності виробництва виробів з однієї марки прес-матеріалу (понад 0,5 млн. шт.).

При створенні автоматизованої технологічної лінії вирішують проблеми автоматизації і механізації процесів:

1.переміщення сировини цеховою лінією;

2.завантаження і дозування сировини;

3.автоматизація стадії формування;

4.зняття виробу, сортування і пакування.

Перспективний шлях сучасного виробництва – використання роторних пресових ліній, коли стадії і цикл пресування здійснюються послідовним переміщенням оснащення лінією і, при цьому, відсутні затримки на кожній стадії, а операції циклу відбуваються одночасно.

5.1.1.3. Технологічні параметри компресійного пресування. Методи їх визначення

Технологічні параметри – це сукупність тих умов, які забезпечують отримання якісного виробу при необхідній продуктивності. До них належать:

–температура і час попереднього підігріву;

–температура пресування;

–тиск пресування;

–підпресовки (їх параметри);

–час витримки під тиском ( в);

–цикл процесу формування ( ц).

Цикл – це час, протягом якого здійснюються всі операції пресування (перелічені вище), Розподіл часу за операціями стадії пресування представлено на рис. 5.11.

Як бачимо з циклограми, витримка під тиском є визначальною (лімітуючою) операцією формування – час витримки є найбільшим.

Рис. 5.11. Циклограма пресування: Рпр – за тиском; Sп – за ходом пуансона;з – час на змикання; в – час витримки під тиском; д – час дозування;рм – час розмикання; тех.паузи – час на підготовку форми; Sп – хід пуансона

Розглянемо окремо кожний параметр.

Температура пресування встановлюється такою, яка б забезпечувала в’язку течію пресматеріалу під дією тиску і необхідну швидкість затвердження зв’язного. Температура залежить від технологічних характеристик прес-матеріалу, габаритів і конфігурації виробу,

189

наявності стадії попереднього підігріву і, в першу чергу, визначається типом зв’язного. Так, фенопласти пресують при 150 ÷ 190 °С, амінопласти – при 135 ÷ 150 °С. За температуру пресування приймається істинну температуру прес-матеріалів в формі (рис. 5.12) і встановлюється, в основному, на основі даних типових технологічних процесів переробки РП, з використанням державних стандартів і стандартів на матеріал (додаток 3). Вона забезпечується відповідним нагрівом матриці і пуансона до потрібної температури (відповідно tм і tп).

Рис. 5.12. Схема розподілення температури у формі: tм – температура стінки матриці, tм = tпр + (10 ÷ 20 ºС); tп – температура стінки пуансона, tп = tм + (0 ÷ 10 °С)

Існує три методи встановлення tпр:

а) з рекомендацій, які беруть з описів типових технологічних процесів переробки конкретного матеріалу; з державних стандартів і стандартів на матеріали, із довідників з переробки пластмас;

б) з лабораторних визначень технологічних характеристик (температура і час затвердження);

в) аналітичним шляхом.

Використовують простий метод розрахунку визначення температури пресування, зокрема температура форми (температура стінки матриці) може бути визначена з залежності: tм t0 ln пл ln пл0 / 1 , (5.10)

де: t0 – температура стандартного пластометричного випробування; пл – час перебування прес-матеріалу у в’язкотекучому стані при Тпр; пл0 – час в’язкотекучого стану при

стандартному пластометричному випробуванні; 1 – температурний коефіцієнт, який залежить від природи прес-матеріалу.

Такий метод визначення tм придатний при формуванні малогабаритних тонкостінних (до 5 мм) виробів.

Оскільки час пресування залежить від швидкості затвердження, то з метою інтенсифікації процесу прагнуть пресувати при якомога вищих температурах (Тпр).

Але поряд з перевагами від підвищення температури, які полягають у підвищенні швидкості затвердження і в покращенні якості зовнішньої поверхні з підвищеною твердістю, існує ряд недоліків.

1.В результаті інтенсивного („миттєвого”) затвердження на поверхні від контакту з надто нагрітими частинами форми утворюється поверхнева кірка, яка запобігає виділенню реакційної вологи і летких з об’єму і в зв’язку з цим призводить до появи браку у вигляді

190

товстостінного здуття, кратерів, нерівностей на поверхні виробів після знімання. Крім цього, внаслідок поверхневого тверднення і утруднення виділення вологи сповільнюється процес поліконденсації в об’ємі, що призводить до неоднорідності матеріалу по січенню стінки і погіршення фізико-механічних характеристик виробів. Це в більшій мірі проявляється для товстостінних виробів. Для таких виробів характерне в цьому випадку короблення (згинання, скривлення).

2.Висока температура викликає переливку (грат), внаслідок збільшення текучості.

3.Надмірно висока температура може спричинити деструкцію полімеру, яка посилюється екзотермією реакції затвердження. Обвуглюватись може і органічний наповнювач. Деструкція закономірно більш імовірна в товстостінних виробах внаслідок більшої

екзотермії реакції поліконденсації.

Тому понижені температури пресування використовують при пресуванні:

–товстостінних і великогабаритних виробів;

–матеріалів з підвищеним вмістом вологи;

–високореакційних прес-матеріалів з малим часом затвердження і низькою текучістю, оскільки в противному випадку можливе неповне формування виробу (недопресовки).

Узв’язку з різним впливом температурного градієнта на технологічний процес в кожному випадку необхідне визначення оптимальної температури пресування.

Аналітично-експериментальний метод визначення температури пресування. Розглянемо цей метод визначення Тпр. При розрахунку Тпр використовують умову

зберігання прес-матеріалом в’язкотекучого стану при цій температурі хоча б протягом остаточного заповнення порожнини форми при її змиканні, тобто на час, який необхідний

для прийняття матеріалом форми виробу ( ф) при пресуванні. Ця умова окреслюється залежністю: ф пл 10 – беруть запас часу 10 с; пл – час перебування у в’язкопластичному

стані. Запас 10 с береться на завантаження і змикання форми. Таким чином, можемо записати, приймаючи мінімальний запас:

де: пл і t0 – стандартні час і температура – з досліду стандартного випробування на приладі Канавця, або табличні дані (з стандартів на матеріал); – коефіцієнт, який залежить від природи прес-матеріалу (його реакційної здатності); t – будь-яка (біжуча) температура пресування.

Підставляючи різні значення t в (5.13), отримаємо залежність, яка зображена на рис. 5.13.