Предмет, задачи и место дисциплины в подготовке инженеров.

Технология переработки пластмасс.

Введение.

Предмет, задачи и место дисциплины в подготовке инженеров.

 

Переработка полимеров имеет конечной целью получение изде­лий, отвечающих конкретным задачам эксплуатации. В этом смысле производственные приемы получения изделий создава­лись и далее совершенствовались параллельно с появлением но­вых полимеров. Можно считать, что минимальный комплекс методов переработки полимеров и соответствующего оборудования возник в XIX веке в связи с открытием вулканизации каучука и созданием промышленных способов ацетилирования и нитрова­ния целлюлозы.

После этого потребовалось почти столетие для того, чтобы окончательно сформировалась новая научно-технологическая дисциплина — технология пе­реработки полимеров, в которой ведущую роль играет технология переработки пластмасс.

Решающим условием появления новой науки стал промышленный синтез большого числа новых полиме­ров, осуществленный в послевоенные годы.

В области переработки полимеров можно выделить четыре основных направления.

1. Приготовление композиций, обладающих свойствами, отличными от свойств основного полимера, поскольку в настоящее время полимеры в чистом виде практически не применяются. Используются композиции на основе базовой марки полимера с введенными в нее добавками различного назначения, улучшающими его эксплуатационные или технологические свойства. Создание композиций – это целая отрасль промышленности переработки полимеров. Введение стабилизаторов, пластификаторов, антистарителей, наполнителей, красителей и др. стало неотъемлемой частью процесса производства полимерных материалов.

2. Изготовление изделий из термопластичных материалов. При этом протекают следующие основные процессы: а) плавление материала; б) пластическая деформация материала, в результате которой вязкой массе придается конфигурация будущего изделия; в) охлаждение материала до температуры теплостойкости, при которой может сохраняться приданная ему форма. В ряде случаев процессу формования сопутствуют процессы механической ориентации, обеспечивающей улучшение прочностных характеристик материала.

3. Изготовление изделий из термореактивных материалов. Окончательное формирование химической структуры этих материалов происходит на последней стадии процесса переработки, состоящего из следующих этапов: а) нагрев материала до перехода в вязкопластическое состояние; б) пластическая деформация материала, в процессе которой в него вводятся необходимые дополнительные ингредиенты (в ряде случаев нагрев до нужной температуры осуществляется за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения); полученную в процессе смешения композицию вновь подвергают пластической деформации для придания ей формы готового изделия; в) нагрев готового изделия до температуры отверждения (или вулканизации), при которой в материале протекают химически реакции, обеспечивающие образование непрерывной пространственной структуры.

4. Изготовление изделий непосредственно из мономеров. При переработке методами, относящимися к данному направлению, реакция полимеризации (поликонденсации) протекает непосредственно в форме, и процесс образования полимера оказывается совмещенным с процессом формирования готового изделия или заготовки (полуфабрикатов типа блоков, плит).

К области переработки пластмасс относятся также операции по подготовке материала к переработке и последующая обработка готовых изделий (если необходимо отделка, декорирование), а также технико-экономическое обоснование эффективности про­изводства и применения при самом широком учете возможной конкуренции других материалов и изделий в данном конкретном регионе.

Усложнение производства, широкое внедрение автоматиче­ских и полуавтоматических линий, микропроцессорной техники и промышленных роботов приводит к тому, что основные про­цессы смешения, расплавления, движения расплава в каналах и заполнения им формы становятся все менее наглядными. У тех, кто начинает свою деятельность в области переработки пластмасс, может создаться впечатление о второстепенном значении пони­мания основных процессов, происходящих при переработке в са­мом материале. В сознании инженера происходит как бы "экра­нирование" основных физико-химических и технологических процессов их аппаратурным оформлением. Это может нанести немалый ущерб развитию производства, ограничить широту мышления инженера-технолога.

Именно поэтому данная дисциплина играет существенную роль для будущих инженеров; ставится задача научить инженера понимать вся­кий, в том числе и новый, оригинальный способ переработки, начиная с его физико-химических и технологических основ. Ре­шение данной задачи облегчается тем, что основы эти в значи­тельной мере универсальны в применении ко всем многочислен­ным методам переработки.

 

1.1.2. Современное состояние отрасли производства и переработки пластмасс.

 

Пластмассы являются высокоэффективными в технологическом, потребитель­ском и, в конечном счете, в экономическом плане материалами. Получение изделий из пластмасс — высокорентабельное производство со сроком окупаемости капитало­вложений в пределах одного - трех лет.

Применяемое в переработке пластмасс оборудование, как правило, универсально в отношении используемых материалов и получаемых изделий. Например, литьем под давлением на типовой литьевой машине можно перерабатывать практически все виды промышленных термопластов. Экструзионные установки, хотя и более специа­лизированы, но тоже позволяют производить погонажную продукцию, не ограничи­ваясь всего одним видом полимерного материала.

Варьируя оснастку, можно получать на термопластавтоматах изделия массой от долей грамма до нескольких десятков килограмм, а экструзией — от капилляров для кардиохирургии до шлангов, труб и профилей технического, строительного и хозяй­ственного назначения.

Немаловажно и то, что пластмассы нередко совмещают в одном материале несколь­ко полезных свойств. Например, конструкционную прочность на уровне металлов и минимальную плотность, коррозионную стойкость и высокие теплоизоляционные показатели, экологическое совершенство и декоративность, универсальность приме­нения и соответствие современным требованиям технической эстетики.

Высокая экономическая эффективность пластмасс определяется и тем, что про­цессы их переработки могут быть практически полностью автоматизированы в преде­лах разумных затрат. Это, с одной стороны, позволяет свести до минимума количест­во занятых на производстве, и тем самым сократить весьма существенную статью расходов, и, с другой стороны, обеспечить точное соблюдение инженерно обоснован­ных технологических параметров производства, таким образом, повысив и стабилизи­ровав качество продукции.

Вследствие перечисленных особенностей пластмассы получили исключительно широкое распространение и эффективно используются практически во всех отраслях глобальной техногенной системы. Мировое потребление пластмасс с 61 млн тонн в 1982 году возросло до 124 млн тонн в 2000 году и продолжает расти.

Потребление пластмасс на душу населения в 1993 году составляло (кг/ед.): в Бель­гии — 152; Тайване — 145; Германии — 118; США — 108; Японии — 87; Франции — 70; Италии — 79; СНГ — 30; Венесуэле — 18; Перу — 8; Бразилии — 9; Индии — 1,3.

Анализ ассортиментного распределения выпускаемых пластмасс показывает, что примерно на десять разновидностей крупнотоннажных пластиков приходится около 90 % от общего производства полимерных материалов. Так, в зависимости от страны производителя, доля полиолефинов, то есть полиэтилена низкой плотности (высоко­го давления), высокой плотности (низкого давления), линейного полиэтилена и по­липропилена составляет от 35 до 45 % суммарного объема производства. От 11 до 20 % — вклад поливинилхлорида, 9-13% приходится на полистирольные пластики, от 2 до 7% занимают полиамиды. Интервалом 1-4 % характеризуется выпуск полиацеталей, простых и сложных полиэфиров, эпоксидных смол.

Ассортиментная структура производства полимерных материалов в России имеет ряд отличий от приведенной выше. Во-первых, значительное место занимают пласт­массы на основе аминоформальдегидных (до 20%) и фенолоформальдегидных (до 8%) олигомеров и, во-вторых, по данным за 1998 год из произведенных крупнотон­нажных термопластов (1079 тонн) 54,9% составляли полиэтилены, 12,8 % — поли­пропилен, 27,5 % — поливинилхлорид и 3,8 % — полистирол.

По отраслям применения полимерные материалы распределяются весьма нерав­номерно. Европейская статистика показывает, что около трети объема производства пластмасс, а в Италии даже до 42 %, расходуется на тару и упаковку, примерно 20 % — в строительстве, от 3 до 17 % применяется на транспорте (в среднем по странам Евро­пейского экономического сообщества — 9 %) и приблизительно по 5 % в электротех­нике и производстве мебели.

В триаде «изделие-технология-оборудование» нет компонента, значащего боль­ше или меньше других составляющих. Конструкция изделия и обоснованный выбор пластмассы должны обеспечивать оптимальную технологию производства, а совер­шенство его машинного оформления — высокую производительность при минималь­ных затратах. Исходя из этого, формулируются основные требования к оборудова­нию, а именно: оно должно обеспечивать реализацию передовых технологий, иметь блочную конструкцию и быть гибким с точки зрения производства изделий разнооб­разной номенклатуры из различных полимерных материалов. Наконец, технические возможности оборудования должны обеспечивать так называемое производство из­делий «по мерке заказчика», что подразумевает наиболее полное удовлетворение тре­бований потребителей. Главным технологическим условием оказывается обеспече­ние высокого и стабильного качества продукции. Отсюда возникает необходимость ис­пользования не только наиболее современных методов и высокопроизводительного универсального прецизионного оборудования, но и применение вспомогательных средств, обеспечивающих предельную автоматизацию технологического процесса по всей производственной линии.

Особое место в современной полимерной технологии занимают процессы изготов­ления крупногабаритных технических устройств из армированных высокопрочных композиционных материалов, получаемых на основе термореактивных свя­зующих. Армированные пластики находят все более широкое применение не только в аэрокосмических устройствах, высокоскоростных наземных и надводных транспорт­ных системах, что стало уже традиционным, но и в нефтегазодобывающем и перераба­тывающем комплексе, особенно в нефте- и газопроводах низкого давления, в газорас­пределительных устройствах. В ряде случаев эффективно применяются накопители из стеклопластиков диаметром свыше 10 метров и объемом более 1000 м³, получен­ные методом намотки и используемые для хранения сырой нефти и продуктов ее пе­реработки. В отношении емкостей и трубопроводных устройств высокого давления перспективны гибридные стеклоуглепластики и стеклоуглеметаллопласты, позволя­ющие реализовать свои весьма существенные по сравнению с легированными сталя­ми преимущества, а именно высокую удельную прочность, коррозионную стойкость, экологическую и эксплуатационную надежность. В производстве этих изделий широ­ко применяются робототехнические устройства, под возможности которых откоррек­тированы традиционные технологические процессы. Заметим также, что манипуля­торы становятся весьма популярными и в литье под давлением особенно сложных по конфигурации и размерам изделий.

 

 

1.2. Классификация методов формования при переработке пластмасс

 

Существует несколько подходов к классификации методов переработки.

На рис. 15.2 предлагается классификация методов формования изделий из пластмасс, в которой все методы делятся на формование погонажных и дискретных изделий. Выделена также группа изделий, сформованных из полуфабрикатов. На рис. 15.2 не сделано различий между формованием термо- и реактопластов. Так, прессование или литье могут быть предназначены для переработки как термо-, так и реактопластов. Литье без давления — фактически только для реактопластов. Термообработка применяется как для термопластов, так и для реактопластов. Такой подход позволяет излагать переработку реакто- и термопластов параллельно, в рамках одного метода формования.

С другой стороны, некоторыми авторами предлагается обратить внимание на принципиальные различия в переработке термо- и реактопластов. Если получение качественных изделий из термопластов определяется в первую очередь степенью завершенности процессов физического характера (нагревание, охлаждение, ориентация, кристаллизация, релаксация), то при получении изделий из реактопластов решающая роль принадлежит химическим процессам, определяющим скорость формирования пространственной сетки и ее густоту.

Классификация процессов переработки термопластов основана на рассмотрении главным образом физического состояния полимера в момент формования:

1. Переработка пластмасс в вязкотекучем, пластицированном состоянии (литье под давлением, экструзия, прессование, каландрование, ротационное формование и др.) основана на способности расплава полимеров к значительным и необратимым пластическим деформациям (течению) при одновременном действии нагрева и давления.

2. Формование полимеров из заготовок, находящихся в размягченном (высокоэластическом) состоянии — это методы (вакуум- и пневмоформование, раздувное формование, горячая штамповка и др.), базирующиеся на способности нагретых полимерных материалов к значительным обратимым деформациям.

3. Производство изделий из пластмасс, находящихся в твердом (стеклообразном или кристаллическом) состоянии (штамповка, прокатка, протяжка и др.), основано на возможности полимеров проявлять вынужденную эластичность.

4. Формование полимеров без давления с использованием растворов или дисперсий — метод полива (производство пленок), ротационное формование пластизолей (изготовление игрушек), получение волокон.

Вместе с тем при переработке термопластов достаточно широко используется метод химического формования поликонденсацией мономеров, применяемый для получения крупногабаритных изделий и заготовок, например из капролона.

Классификация процессов переработки реактопластов учитывает тот факт, что исходный продукт — олигомер — имеет низкое значение молекулярной массы (200-3000), вследствие чего его вязкость на начальном этапе формования невелика. Практически во всех способах переработки реактопластов в исходном состоянии они вязкотекучи. Полимерный высокомолекулярный продукт как таковой не существует. Он получается в результате химической реакции отверждения олигомера одновременно с формованием изделия из него, и существует только в виде изделия. С этих позиций методы переработки реактопластов целесообразно подразделять на:

1. Методы прямого формования изделий:

• полимеризация в форме

• контактное формование

• мокрая намотка

• протяжка

• напыление на форму

• формование эластичным мешком

• пропитка в форме под вакуумом и давлением

2. Методы формования изделий из полуфабрикатов:

• прессование компрессионное и трансферное (пресс-литье)

• литье под давлением

• штранг-прессование

• формование из премиксов и препрегов

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: