Переработка полимеров

получение компаунда первичных эластомеров включает в себя вальцевание

крошки в пластичные листы и последующее введение в полимер требуемых

ингредиентов. Компаундирование эластомеров проводят или на двухвальковой

каучуковой мельнице, или на смесителе Бенбери с внутренним смешением.

Эластомеры в виде латекса или низкомолекулярных жидких смол могут быть

смешаны простым перемешиванием с использованием высокоскоростных мешалок. В

случае волокнообразующих полимеров компаундирование не проводят. Такие

компоненты, как смазочные вещества, стабилизаторы и наполнители, обычно

напрямую вводят в расплав или раствор полимера непосредственно перед

прядением нити.

2.2 ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ

Тот факт, что полимерные материалы используют в самых различных

формах, таких, как стержни, трубы, листы, пенопласты, покрытия или

адгезивы, а также как прессованные изделия, подразумевает наличие

разнообразных способов переработки полимерных компаундов в конечные

продукты. Большинство полимерных изделий получено либо формованием, либо

обработкой, либо отливкой жидких форнолимеров в форме с последующим

отвердением или сшиванием. Волокна получают в процессе прядения.

Процесс формования можно сравнить, например, с лепкой какой-либо

фигуры из глины, а процесс обработки — с вырезанием той же фигуры из куска

мыла. В процессе формования компаунд в виде порошка, чешуек или гранул

помещают в пресс-форму и подвергают воздействию температуры и давления, в

результате чего образуется конечный продукт. В процессе обработки получают

изделия в виде простых форм, таких, как листы, стержни или трубы, используя

штапелирование, штамповку, склейку и сварку.

Прежде чем перейти к обсуждению разнообразных методов переработки

полимеров, напомним, что полимерные материалы могут быть термопластичными

или термореактивными (термоотверждающимися). После формования

термопластичных материалов под действием температуры и давления перед

освобождением из пресс-формы их следует охлаждать ниже температуры

размягчения полимера, так как в противном случае они теряют форму. В случае

термореактивных материалов такой необходимости нет, поскольку после

однократного совместного воздействия температуры и давления изделие

сохраняет приобретенную форму даже при его освобождении из пресс-формы при

высокой температуре.

2.3 КАЛАНДРОВАНИЕ

Процесс каландрования обычно применяют для производства непрерывных

пленок и листов. Основной частью аппарата (рис.1) для каландрования

является комплект гладко отполированных металлических валков, вращающихся в

противоположных направлениях, и устройство для точного регулирования зазора

между ними. Зазор между валками определяет толщину каландрованного листа.

Полимерный компаунд подается на горячие валки, а лист, поступающий с этих

валков, охлаждается при прохождении через холодные валки. На последнем

этапе листы сматываются в рулоны, как показано на рис.1. Однако если вместо

листов требуется получить тонкие полимерные пленки, применяют серию валков

с постепенно уменьшающимся зазором между ними. Обычно в листы каландруют

такие полимеры, как поливинилхлорид, полиэтилен, каучук и сополимер

бутадиена, стирола и акрилонитрила.

[pic]

Рис. 1. Схема аппарата для каландрования

/ — полимерный компаунд; 2 — каландровочные валки: горячие (3) и холодный

(4); 5 — каландрованный лист; б — направляющие валки; 7 — сматывающее

устройство

При использовании в каландровочной машине профилированных валков можно

получать тисненые листы различных рисунков. Различные декоративные эффекты,

такие, как имитация под мрамор, могут быть достигнуты путем введения в

каландр смеси компаундов различных цветов. Технология обработки под мрамор

обычно используется в производстве плиток для пола из поливинилхлорида.

2.4 ЛИТЬЕ

ЛИТЬЕ В ФОРМЕ. Это сравнительно недорогой процесс, который состоит в

переработке жидкого форполимера в твердые изделия требуемой формы. Этим

методом могут быть получены листы, трубы, стержни и т.п. изделия

ограниченной длины. Схематически процесс литья в форме представлен на

рис.2. В этом случае форполимер, смешанный в соответствующих пропорциях с

отвердителем и другими ингредиентами, выливают в чашку Петри, которая и

служит формой. Затем чашку Петри помещают на несколько часов в печь,

нагретую до необходимой температуры, до полного завершения реакции

отвердения. После охлаждения до комнатной температуры твердый продукт

вынимают из формы. Твердое тело, отлитое таким образом, будет иметь форму

внутреннего рельефа чашки Петри.

[pic]

Рис.2. Простейшее изображение процесса литья в форме

б — наполнение чашки Петри форполимером и отвердителем; б - нагревание в

печи; б — извлечение из формы остывшего продукта

Если вместо чашки Петри использовать цилиндрическую стеклянную трубу,

закрытую с одного конца, можно получить изделие в виде цилиндрического

стержня. Кроме того, вместо форполимера и отвердителя в форме можно вылить

смесь мономера, катализатора и других ингредиентов, нагретую до температуры

полимеризации. Полимеризация в этом случае будет протекать внутри формы до

образования твердого продукта. Для литья в форме подходят акрилы, эпоксиды,

полиэфиры, фенолы и уретаны.

Формы для литья изготавливают из алебастра, свинца или стекла. В

процессе отвердения происходит усадка полимерного блока, что облегчает его

освобождение из формы.

РОТАЦИОННОЕ ЛИТЬЕ. Полые изделия, такие, как мячи и куклы, получают в

процессе, называемом "ротационное литье". Аппарат, используемый в этом

процессе, представлен на рис.3.

Компаунд термопластического материала в виде мелкого порошка помещают

в полую форму. Используемый аппарат имеет специальное приспособление для

одновременного вращения формы вокруг первичной и вторичной осей. Форму

закрывают, нагревают и вращают. Это приводит к однородному распределению

расплавленного пластика по всей внутренней поверхности полой формы. Затем

вращающуюся форму охлаждают холодной водой. При охлаждении расплавленный

пластический материал, однородно распределенный по внутренней поверхности

формы, затвердевает. Теперь форму можно открывать и вынуть конечное

изделие.

Также в форму может быть загружена жидкая смесь термореактивного

форполимера с отвердителем. Отвердение в этом случае будет происходить при

вращении под действием повышенной температуры.

Ротационным литьем производят изделия из поливинилхлорида, такие,

как галоши, полые шары или головы для кукол. Отвердение поливинилхлорида

осуществляется путем физического гелеобразования между поливинилхлоридом и

жидким пластификатором при температурах 150[pic]200°С. Мелкие частицы

поливинилхлорида однородно диспергированы в жидком пластификаторе вместе со

стабилизаторами и красителями, образуя, таким образом, вещество со

сравнительно низкой вязкостью. Этот пастообразный материал, называемый

"пластизоль", загружают в форму и откачивают из нее воздух. Затем форму

начинают вращать и нагревать до требуемой температуры, что приводит к

гелеобразованию поливинилхлорида. Толщина стенок образующегося продукта

определяется временем гелеобразования.

[pic]

Рис.3. В процессе ротационного литья полые формы, наполненные полимерным

материалом, одновременно вращают вокруг первичной и вторичной осей

1 — первичная ось; 2 — вторичная ось; 3 — деталь разъемной формы; 4 —

полости формы; 5 — кожух зубчатой передачи; б—к мотору

После достижения требуемой толщины стенок избыток пластизоля удаляется

для проведения повторного цикла. Для окончательной гомогенизации смеси

частиц поливинилхлорида с пластификатором гелеобразный продукт внутри формы

нагревают. Конечный продукт вынимают из формы после его охлаждения струёй

воды. Метод ротационного литья с использованием жидкого материала известен

как метод "формования полых изделий заливкой и вращением формы".

ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ. Наиболее удобным процессом для производства

изделий из термопластичных полимеров является процесс литья под давлением.

Несмотря на то что стоимость оборудования в этом процессе достаточно

высока, его несомненным достоинством является высокая производительность. В

этом процессе дозированное количество расплавленного термопластичного

полимера впрыскивается под давлением в сравнительно холодную пресс-форму,

где и происходит его затвердевание в виде конечного продукта.

Аппарат для литья под давлением изображен на рис.6. Процесс состоит из

подачи компаундированного пластического материала в виде гранул, таблеток

или порошка из бункера через определенные промежутки времени в нагретый

горизонтальный цилиндр, где и происходит его размягчение. Гидравлический

поршень обеспечивает давление, необходимое для того, чтобы протолкнуть

расплавленный материал по цилиндру в форму, расположенную на его конце. При

движении полимерной массы вдоль горячей зоны цилиндра устройство,

называемое "торпедой", способствует однородному распределению пластического

материала по внутренним стенкам горячего цилиндра, обеспечивая таким

образом равномерное распределение тепла по всему объему. Затем

расплавленный пластический материал впрыскивают через литьевое отверстие в

гнездо пресс-формы.

В простейшем виде пресс-форма представляет собой систему из двух

частей: одна из частей движущаяся, другая — стационарная (см. рис.6).

Стационарная часть пресс-формы фиксируется на конце цилиндра, а подвижная

снимается и надевается на нее.

При помощи специального механического устройства пресс-форма плотно

закрывается, и в это время происходит вспрыскивание расплавленного

пластического материала под давлением 1500 кг/см[pic]. Закрывающее

механическое устройство должно быть сделано таким образом, чтобы

выдерживать высокие рабочие давления. Равномерное течение расплавленного

материала во внутренних областях пресс-формы обеспечивается ее

предварительным нагревом до определенной температуры. Обычно эта

температура несколько ниже температуры размягчения прессуемого

пластического материала. После заполнения формы расплавленным полимером ее

охлаждают циркулирующей холодной водой, а затем открывают для извлечения

готового изделия. Весь этот цикл может быть повторен многократно как в

ручном, так и в автоматическом режиме.

ОТЛИВКА ПЛЕНОК. Метод отливки используют также и для производства

полимерных пленок. В этом случае раствор полимера соответствующей

концентрации постепенно выливают на движущийся с постоянной скоростью

металлический пояс (рис.4), на поверхности которого и происходит

образование непрерывного слоя полимерного раствора.

[pic]

Рис.4. Схема процесса отливки пленок

/ — раствор полимера; 2 — распределительный клапан; 3 — раствор полимера

растекается с образованием пленки; 4 — растворитель испаряется; 5 —

бесконечный металлический пояс; 6 — непрерывная полимерная пленка; 7 —

сматывающая катушка

При испарении растворителя в контролируемом режиме на поверхности

металлического пояса происходит образование тонкой полимерной пленки. После

этого пленка снимается простым отслаиванием. Этим способом получают

большинство промышленных целлофановых листов и фотографических пленок.

2.5 ПРЯМОЕ ПРЕССОВАНИЕ

Метод прямого прессования широко используется для производства изделий

из термореактивных материалов. На рис.5 представлена типичная пресс-форма,

используемая для прямого прессования. Форма состоит из двух частей —

верхней и нижней или из пуансона (позитивная форма) и матрицы (негативная

форма). В нижней части пресс-формы имеется выемка, а в верхней — выступ.

Зазор между выступом верхней части и выемкой нижней части в закрытой пресс-

форме и определяет конечный вид прессуемого изделия.

В процессе прямого прессования термореактивный материал подвергается

однократному воздействию температуры и давления. Применение гидравлического

пресса с нагреваемыми пластинами позволяет получить желаемый результат.

[pic]

Рис.5. Схематическое изображение пресс-формы, используемой в процессе

прямого формования

1 — полость формы, наполненная термореактивным материалом; 2 —

направляющие шипы; 3 — заусенец; 4 - сформованное изделие

Температура и давление при прессовании могут достигать 200 °С и 70

кг/см2 соответственно. Рабочие температура и давление определяются

реологическими, термическими и другими свойствами прессуемого пластического

материала. Выемка пресс-формы полностью заполняется полимерным компаундом.

Когда под давлением пресс-форма закрывается, материал внутри нее

сдавливается и прессуется в требуемую форму. Избыточный материал

вытесняется из пресс-формы в виде тонкой пленки, которую называют

"заусенец". Под действием температуры прессуемая масса отвердевает. Для

освобождения конечного продукта из пресс-формы охлаждения не требуется.

[pic]

Рис..6. Схематическое изображение процесса литья под давлением

1 — компаундированный пластический материал; 2 — загрузочная воронка; 3 —

поршень; 4 — электрический нагревательный элемент; 5 — стационарная часть

формы;

6 — подвижная часть формы; 7 — основной цилиндр; 8 - торпеда; 9 -

размягченный пластический материал; 10 — пресс-форма; 11 - изделие,

сформованное методом литья под давлением

2.6 ФОРМОВАНИЕ

ПНЕВМОФОРМОВАНИЕ. Большое количество полых пластических изделий

производят методом пневмоформования: канистры, мягкие бутылки для напитков

и пр. Пневмоформованию могут быть подвергнуты следующие термопластичные

материалы: полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, полистирол, найлон,

полипропилен, акрилы, акрилонитрил, акрилонитрил-бутадиенсти-рольнын

полимер, однако по ежегодному потреблению первое место занимает полиэтилен

высокой плотности.

Пневмоформование ведет свое происхождение от стеклодувной

промышленности. Схема этого процесса дана на рис.7.

Горячую размягченную термопластичную трубку, называемую "заготовкой",

помещают внутрь полой формы, состоящей из двух частей. Когда форма закрыта,

обе ее половины зажимают один конец заготовки и иглу для подачи воздуха,

расположенную на другом конце трубки.

[pic]

Рис.7. Схематическая диаграмма, объясняющая стадии процесса

пневмоформования

а — заготовка, помещенная в открытую пресс-форму; б — закрытая пресс-форма;

в — вдувание воздуха в пресс-форму; г — открывание пресс-формы. 1—

заготовка;

2 - игла для подачи воздуха; 3 - пресс-форма; 4 - воздух; 5 - изделие,

изготовленное методом пневмоформования

Под действием давления, подаваемого из компрессора через иглу, горячая

заготовка раздувается как шар до плотного соприкосновения с относительно

холодной внутренней поверхностью формы. Затем форму охлаждают, открывают и

вынимают готовое твердое термопластичное изделие.

Заготовка для пневмоформования может быть получена методом литья под

давлением или экструзии, и в зависимости от этого метод называют

соответственно литьем под давлением с раздувкой или пневмоформованием с

экструзией.

ФОРМОВАНИЕ ЛИСТОВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ. Формование листовых термопластов

является чрезвычайно важным процессом для производства трехмерных изделий

из пластиков. Этим методом из листов акрилонитрилбутадиенстирола получают

даже такие крупные изделия, как корпуса подводных лодок.

Схема этого Процесса такова. Термопластичный лист нагревают до

температуры его размягчения. Затем пуансон впрессовывает горячий гибкий

лист в матрицу металлической пресс-формы (рис.9), при этом лист принимает

определенную форму. При охлаждении сформованное изделие затвердевает и

извлекается из пресс-формы.

В модифицированном методе под действием вакуума горячий лист

засасывается в полость матрицы и принимает требуемую форму (рис.10). Этот

метод называется методом вакуумного формования.

2.7 ЭКСТРУЗИЯ

Экструзия является одним из самых дешевых методов производства широко

распространенных пластических изделий, таких, как пленки, волокна, трубы,

листы, стержни, шланги и ремни, причем профиль этих изделий задается формой

выхлопного отверстия головки экструдера. Расплавленный пластик при

определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки

экструдера, что и придает желаемый профиль экструдату. Схема простейшей

экструзионной машины показана на рис.8.

[pic]

Рис 8. Схематическое изображение простейшей экструзионной машины

1 — загрузочная воронка; 2 - шнек; 3 - основной цилиндр; 4 —

нагревательные элементы; 5 — выходное отверстие головки экструдера, а —

зона загрузки; б — зона сжатия; в ~ зона гомогенизации

В этой машине порошок или гранулы компаундированного пластического

материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим обогревом для

размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся шнек обеспечивает движение

горячей пластической массы по цилиндру. Поскольку при движении полимерной

массы между вращающимся шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к

выделению тепла и, следовательно, к повышению температуры перерабатываемого

полимера. В процессе этого движения от бункера к выходному отверстию

головки экструдера пластическая масса переходит три четко разделенные зоны:

зону загрузки (а), зону сжатия (б) и зону гомогенизации (в) (см. рис 9).

Каждая из этих зон вносит свой вклад в процесс экструзии. Зона

загрузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в

зону сжатия, эта операция проходит без нагревания.

[pic]

Рис. 9. Схема процесса формования листовых термопластов

1 — лист термопластического материала; 2 — зажим; 3 — пуансон; 4 —

размягченный нагревом лист; 5 — матрица; 6 — изделие, полученное методом

формования листовых термопдастов

[pic]

Рис.10. Схема процесса вакуумного формования термопластов

1 — зажим; 2 — лист термопласта; 3 — пресс-форма; 4 — изделие, полученное

методом вакуумного формования термопластов

В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление

порошкообразной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем

пастообразный расплавленный пластический материал поступает в зону

гомогенизации, где и приобретает постоянную скорость течения, обусловленную

винтовой нарезкой шнека.

Под действием давления, создаваемого в этой части экструдера, расплав

полимера подается на выходное отверстие головки экструдера и выходит из

него с желаемым профилем. Из-за высокой вязкости некоторых полимеров иногда

требуется наличие еще одной зоны, называемой рабочей, где полимер

подвергается воздействию высоких сдвиговых нагрузок для повышения

эффективности смешения. Экструдированный материал требуемого профиля

выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура

составляет от 125 до 350°С), и для сохранения формы требуется его быстрое

охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через чан

с холодной водой, и затвердевает. Для охлаждения экструдата также применяют

обдувку холодным воздухом и орошение холодной водой. Сформованный продукт в

дальнейшем или разрезается или сматывается в катушки.

Процесс экструзии используют также для покрытия проволок и кабелей

поливинилхлоридом или каучуком, а стержнеобразных металлических прутьев —

подходящими термопластичными материалами.

2.8 ВСПЕНИВАНИЕ

Вспенивание является простым методом получения пено- и губкообразных

материалов. Особые свойства этого класса материалов — амортизирующая

способность, легкий вес, низкая теплопроводность - делают их весьма

привлекательными для использования в различных целях. Обычными

вспенивающимися полимерами являются полиуретаны, полистирол, полиэтилен,

полипропилен, силиконы, эпоксиды, ПВХ и пр. Вспененная структура состоит из

изолированных (закрытых) или взаимопроникающих (открытых) пустот. В первом

случае, когда пустоты закрыты, они могут заключать в себе газы. Оба тина

структур схематически представлены на рис.11.

[pic]

Рис.11. Схематическое изображение ячеистых структур открытого и закрытого

типов, образующихся в процессе вспенивания

1- дискретные (закрытые) ячейки; 2 — взаимопроникающие (открытые) ячейки;

3 — стенки ячеек

Существует несколько методов для производства вспененных или ячеистых

пластиков. Один из них заключается в том, что через расплавленный компаунд

продувают воздух или азот до его полного вспенивания. Процесс вспенивания

облегчается при добавлении поверхностно-активных агентов. По достижении

требуемой степени вспенивания матрицу охлаждают до комнатной температуры. В

этом случае термопластичный материал затвердевает во вспененном состоянии.

Термореактивные жидкие форполимеры могут быть вспенены в холодном

состоянии, а затем нагреты до полного их отвердения. Обычно вспенивание

Страницы: 1, 2, 3