Технология изготовления пластмассовых изделий

Количество изделий из пластмасс в современном мире очень велико. Пластмассовые изделия бывают различного объема, форм, назначения – это ведра, тазы, даже трубы для подачи воды в квартиры. Пластиковые изделия не только удобны в применении, но экологичны и доступны по цене.

Основным источником изготовления пластмасс является этилен. Из него производятся полистирол, полиэтилен и поливинилхлорид. Первые два материала подвергают плавлению, из полученного вещества создают посуду. Из тонких листов полиэтилена получают упаковку для продуктов (пакеты фасовочные, пакеты-майки).

Классификация пластмасс

В зависимости от состава:

1. Листовые термопластмассы – винипласт, органическое стекло. Они состоят из смолы, стабилизатора и пластификатора небольшого объема.
2. Слоистые пластики – гетинакс, стеклотекстолит, текстолит – пластмасса, в состав которой входят наполнители бумаги или ткани.
3. Волокниты – стекловолокна, асбестовые волокна, хлопчатобумажные волокна. Наполнители в этой пластмассе волокнистые.
4. Литьевые массы – пластики из смолы, являющейся единственным компонентом в массе.
5. Пресс-порошки – пластмасса с порошкообразными наполнителями.

По области применения:

1. Теплоизоляционные – применяются в строительстве (пенопласт, поропласт и другие. Это газонаполненная пластмасса).
2. Химически стойкие – применяются в промышленности (полиэтилен, винипласт, полипропилен, фторопласт).
3. Конструкционные (стеклотекстолит, текстолит и другие).
4. Пресс-порошки – пластмасса общего назначения.

В зависимости от связующего материала:

1. Эпоксипласты (для связки используются эпоксидные смолы).
2. Фенопласты (связующее вещество – фенолформальдегдные смолы).
3. Аминопласты (меламинофармальдегидные и мочевиноформальдегидные смолы используются как связующее вещество).

По тому, как связующее вещество реагирует на повышение температуры, пластмассы бывают:

• термореактивными – при нагреве становятся мягкими и плавятся, но после проведения некой химической реакциипластмасса твердеет и становится нерастворимой и неплавкой. Ее нельзя будет использовать повторно, переплавка бесполезна. Такая пластмасса годна как наполнитель при создании пресс-порошков;
• термопластичными – такие пластмассы легко плавятся при нагревании и твердеют при охлаждении. Этот материал можно переплавить и изготовить из него новое изделие, однако его качество будет несколько ниже.

Технология производства пластмасс

Некоторые виды пластмассы можно использовать несколько раз. Основные способы переработки:

• процесс прессования, давления, выдавливания при нахождении материала в вязком текучем состоянии;
• вакуумное литье и пневмоформовка, штамповка высокоэластичного материала.

Оборудование для производства и переработки

Самым распространенным видом производства пластмасс является серийное и мелкосерийное литье под давлением. Это самый бюджетный способ, и с помощью него в стране изготавливается около трети пластмассового материала. В качестве сырья используются гранулы, подвергаемые процессу плавления, после чего они отправляются в специальные формы для литья.

Изготавливая пластмассы при помощи технологии литья под давлением, используют термопластавтоматы. Основные функции автоматических изготовителей: измельчение гранул, нагрев полимерной массы, литниковая система, отводящая разогретый полимер в форму для литья.

Большинство предприятий налаживают безотходное производство изделий из пластмасс и используют станки и оборудование как для изготовления, так и для переработки оставшихся гранул.

Виды оборудования для литья пластмасс под давлением:

1. вертикальное – в процессе производства подача расплавленного полимера осуществляется вертикально, а форма для литья расположена горизонтально;
2. горизонтальное – литьевая форма расположена вертикально, жидкая пластмасса поступает в термопластавтомат горизонтально.

Оборудование для литья под давлением малогабаритно, занимает небольшое пространство и легкоуправляемо.

Кроме литья под давлением, существует:

1. литье с газом;
2. литье с водяным паром;
3. многокомпонентное литье.

Эти способы рациональны и способны повысить качество производимого материала.

Основные тенденции на рынке производства пластмасс

• Ужесточение правил и норм на ТПА к производству, качеству и экологичности изделий и оборудованию.
• Создание декора на пластиковых изделиях повышает спрос на них и увеличивает объемы продаж.
• Создание и развитие смешанных технологий: гидравлика (сжатие) + электрическое (впрыск массы) ТПА.
• В связи с переходом с гидравлики на электричество снижение энергоемкости ТПА.

Преимущества электрического оборудования:

• малое электропотребление (по сравнению с гидравликой экономится до 60 % энергии);
• разрешается использовать в стерильных условиях (медицина). Электрические ТПА практически не имеют смазки;
  простота в управлении;
• увеличение производительности оборудования и его коэффициента использования посредством снижения времени цикла и повышения результатов пластификации и впрыска пластиковой массы;

Основной недостаток электрического ТПА – высокая стоимость.

Влияние производства на экологию Земли

В зависимости от сырья, использовавшегося для производства пластиковых масс, изменяется сила воздействия и состав выделяемых в окружающую среду газов. Но в любом случае изготовление изделий из пластмассы, таких как ведра, запасные детали оборудования, канистры, игрушки, тазы и прочие предметы народного потребления, отрицательно сказывается на человеке и природе. Вещества, выделяемые в процессе производства, являются ядовитыми, они переносятся на большие расстояния, выпадая с осадками, являются источниками загрязнения почвы, подземные и поверхностные воды, растительность.

Основной компонент, входящий в состав пластиковых масс и способствующий загрязнению природной среды, – винилхлорид. Это вещество канцерогенно и способно вызвать у человека такое заболевание, как рак.

Утилизация отходов от пластмассового производства должна осуществляться на заводах по переработке в специальных кислостойких установках, но если существует возможность безотходного производства, то лучше пластмассовые отходы отправлять на переработку.

Одно из самых популярных мест отдыха у российских туристов Черное море, экологические проблемы региона рассмотрены в нашем обзоре.

Влияние экологических катастроф на акваторию Мирового океана планеты https://greenologia.ru/eko-problemy/gidrosfera/mirovogo-okeana-planety.html читайте по ссылке.

Осуществляя производство пластиковых масс, изготовитель обязан наладить четкий контроль содержания винилхлорида в воздухе над предприятием. Прежде чем ввести пластик в медицину, промышленное хозяйство, необходимо осуществить квалифицированную экспертизу состава токсичных веществ. Отходы следует подвергать вторичной переработке, а на произведенных пластмассовых изделиях обязательно штамповать маркировку, запрещающую утилизировать такие изделия в обычных мусоросжигательных печах.

Соблюдая требования в производстве пластиковых масс, предприниматели обеспечат здоровье не только себе и всему человечеству, но и окружающей среде.

(Пока оценок нет)

В XXI веке развитых технологий находят применение искусственно созданные полимеры и пластмассы, этих материалов нет в природе, поэтому для получения качественных экземпляров требуется тщательно налаженный технологический процесс. Пластик из-за специфических свойств находит широкое применение в качестве материала, позволяющего экономить употребление дорогостоящих цветных металлов, снижать массу узлов и деталей. С помощью современных технологий процесс изготовления пластиковых изделий полностью автоматизирован, незначительные операции механической обработки сведены к минимуму.

Выбор пластмасс

Основными условиями выбора служат технологические и эксплуатационные свойства. В помощь технологу созданы сравнительные таблицы, содержащие марки материалов с описанием технических характеристик, при этом указаны радиотехнические и электрические свойства, диэлектрическая проницаемость, механические и прочностные показатели. Указаны коэффициенты износа и трения, Пуассона, показатели теплового расширения и другие характеристики.

Для классификации пластмасс используют следующие признаки:

• вид используемого наполнителя;
• эксплуатационные качества;
• назначение для применения в различных областях;
• значение некоторых важных параметров и эксплуатационных характеристик.

Производство изделий из пластмасс

Основными операционными процессами переработки пластмасс и полимеров в процессе производства являются:

• подготовка материала к технологическому производству;
• выбор необходимого количества исходного сырья;
• таблетирование массы и предварительное разогревание (в некоторых случаях);
• формование заданного изделия;
• окончательная отделка механическим или станочным способом.

Горячий метод формования

Главным для производства является получение качественной продукции при высокой производительности. Говоря о качестве изделия, упоминают о структурных молекулярных показателях:

• аморфные полимеры характеризуются ориентацией;
• кристаллизующиеся полимеры отличаются множеством надмолекулярных образований на всех этапах агрегации, поэтому используют способ заданной кристаллизации.

Надкристаллическая структура кристаллизующихся полимеров многообразна, поэтому материалы с одинаковыми свойствами при обработке в различных условиях дают изменяющиеся свойства деталей. Стабильность определенного набора свойств решается с помощью точного выбора и исполнения требуемых режимов обработки полимеров.

Предварительная сушка полимеров

Технологические карты процесса и качество полученной продукции определяются влажностью и температурой пластика. На подготовительном этапе делается сушка или увлажнение для приведения показателей в требуемую норму. Водяные молекулы обладают свойством полярности и быстро вступают в связи с полярными полимерами, из-за этого поглощается влага из окружающей среды. Увеличение полярности способствует усиленному поглощению, и наоборот. Некоторые полимеры изначально негигроскопичны, что не дает возможности на подготовительном процессе насытить их влагой.

Увеличение влажности материала на подготовительной стадии уменьшает его текучесть, избыток влаги снижает взаимодействие молекул и влияет на уровень гидролитической деструкции. Насыщение влагой уменьшает прочность, показатель удлинения при разрыве, сопротивление диэлектрическому проникновению. На поверхности детали после производства появляются белесые и серебристые разводы, волны, вздутия, пузыри, пустые поры, отслоения, трещины. Иногда такие дефекты проявляются только при прессовании.

Низкая влажность ведет к структурированию, которое является одним из видов деструкции, при этом снижается текучесть полимера. Изменение влажности может происходить не только в процессе производства, но и при эксплуатации. При этом разрушение детали повторяется в указанных параметрах. Сушка полимерных материалов используется для уменьшения влажности. Для материалов, склонных к термоокислительной деструкции применяется сушка в вакууме, это позволяет увеличить температуру и уменьшить время сушки.

В процессе сушки применяют типы сушилок:

• барабанные;
• ленточные аппараты-конвейеры;
• турбинные камеры;
• вакуум-сушилки.

Чтобы уменьшить влажностные показатели порошкообразных и гранулированных термопластов используют бункер с системой подогрева. Иногда летучие вещества и влагу убирают в процессе расплава, при этом во время пластификации снимают давление на определенном шнековом участке. Как следствие, происходит расширение нагретых газов, которые удаляются с помощью вакуумного отсоса.

Подготовка материалов к переработке

Сушку полимеров заканчивают непосредственно перед обработкой, при этом рекомендуется оставить показатели, которые ниже требуемых. Если требуется некоторое время хранения перед производством, то высушенному материалу организуют тщательные сухие условия. Если гигроскопичность полимеров низкая, то такие материалы не сушат, а только подогревают перед технологическим процессом. Слишком низкая влажность требует повышения показателя выдерживанием экземпляра в воздухе с высокой влажностью или опрыскивания ацетоном, спиртом, водой.

Таблетирование материалов

Формование в условиях сжимания пластмасс порошкообразного типа называется таблетированием для производства определенной формы таблеток с заданными параметрами плотности и размеров. В результате процедуры лучше дозируется сырьевая масса, из материала удаляется большая часть воздуха, что ведет к повышению теплопроводности.

Для процесса применяют таблеточные машины:

• гидравлические с выполнением 5−35 циклов за минуту;
• эксцентриковые — 16−40 циклов;
• ротационные — 65−605 циклов.

Предварительный разогрев материалов

Процедура делается только для реактопластичных заготовок (волокнитов и порошков). Прогрев осуществляется в генераторах, производящих токи с высокой частотой. Иногда используют контактные нагреватели непосредственно перед помещением материала в прессовальную форму для ускорения прессования. Нагрев высокочастотными токами снижает предел прессовальной нагрузки, что продлевает время службы пресса, увеличивает производительность, снижает затраты на выпуск изделий из пластмассы.

Пластмассы относят к диэлектрикам и полупроводникам, они нагреваются в ТВЧ из-за поляризации зарядов элементарного порядка. Малое число свободных зарядов в диэлектрике ведет к появлению тока проводимости. Происходит смещение электрополя с некоторым запаздыванием по частоте из-за трения молекул. Количество тепла на выходе пропорционально частоте поля.

Изготовление пластиковых изделий

Существует несколько способов получения пластиковых деталей

Литье пластика под давлением

Используют для выпуска реакто— и термопластов. При таком способе материал в гранулированной форме идет в цилиндр машины, где происходит его прогревание и перемешивание оборачиваемым шнеком. Если используется не шнековая, а поршневая машина, то пластификация происходит прогревом. Разогрев термопластов ведется до 200−350˚С, реактопласты требуют 85−120˚С. Готовый материал поступает в форму для литья, где охлаждается (термопласты до 25−125˚С, реактопласты — 155−195˚С). В форме бывшее сырье держат для уплотнения под давлением, что влияет на порог усадки, снижая его.

Интрузия

Позволяет на том же агрегате изготовить детали значительно большего размера и объема. При предыдущем процессе литье пластифицируется поворачивающимся червяком, а подается в форму при его поступательном перемещении. Интрузия предполагает использование сопла с имеющимся широким каналом для перетекания литья в форму до начала поступательного движения червяка. Общая продолжительность циклического процесса не становится больше, но метод показывает высокую производительность.

Литье прессованием

В этом случае камера загрузки находится отдельно от полости формирования. Прессованный материал помещается в камеру загрузки, где при действии тепла и сжатия происходит пластификация. Затем материал перетекает в рабочее отделение формы, где отвердевает. Метод прессованного литья используется в случае выпуска деталей с толстыми стенками, армированием, сложной формы. Недостатком способа является небольшой перерасход материала, так как часть его остается в загрузочном отделении.

Заливка

Процесс применяется для выпуска деталей из компаундов или в случае применения изоляции и герметизации компаундами запчастей радио и электронной отрасли. Компаунды — композиции из полимеров, пластификаторов, отвердителей, наполнителей и других добавок. Они являются воскообразными твердыми составами, которые перед применением нагревают до получения жидкого состояния.

Отвердевание происходит при температуре 25—185˚С, процесс занимает по времени около 2−17 часов. Иногда в емкость для раствора насыпают таблетированный материал, затем форму нагревают и сырье расплавляется, чтобы ускорить процедуру используют метод давления.

Метод намотки

Используют для изготовления пластиковых тел вращения, при этом исходным сырьем служит жидкотекучие и стеклянные полимеры. Изготавливают колпаки, трубчатые полости, цилиндрические оболочки. Процесс происходит на намоточных станках с применением оправок, на них наматывают обработанные полимером нити. Намотка осуществляется сухим или мокрым способом.

В первом случае применяют предварительно пропитанную армирующую нить, а во втором случае пропитка происходит перед применением нити. Сухой метод признан более производительным и качественным, в результате используются разнообразные пропитки и связующие, но мокрый метод позволяет выполнять детали сложной фигуры и формы.

Способы дополнительной механической доводки готов изделий

Эта процедура делается для:

• уточнения формы готовых деталей после давления или литья;
• при процессе производства изделий из листового пластика;
• снятия излишних наслоений (облоя, литников, грата, пленки), расчистки отверстий в условиях небольшого производства;
• повышения экономии при выпуске сложных по конфигурации деталей;
• изготовления малой партии изделий или в условиях небольших цехов.

Механообработка отличается спецификой из-за вязкости, низкой теплопроводности, именно эти особенности формируют инструмент и станковую оснастку для обработки пластмасс. Различают следующие методы механической обработки:

• обработка пластмассовых изделий резанием;
• разделительная штамповка.

Первый способ применяется для отделки и удаления наслоений на детали после метода горячего прессования и в виде самостоятельного способа для выточки продукции из поделочных пластиков. Метод обработки резанием состоит из отдельных операций: точения, резки, сверления, фрезеровки, шлифовки, полирования и формирования резьбы.

Штамповку разделительного направления используют в случае применения в качестве заготовок листового пластика. Выполняемые операции: зачистка, вырубка, обрезка, пробивка, разрезка или отрезка.

Точение делают с заглублением инструмента на слой 0,6−3 мм, различаю чистовой вариант и черновую обработку. Сверление делают разными скоростями оборотов, что зависит от марки пластмассы. Фрезерованием обрабатывают на глубину 1−8 мм (реактопласты) и 1−9 мм (термопласты), также различают черновой и чистовой проход.

Нарезка резьбы иногда выполняется сложно из-за обработки слоистых, волокнистых пластиков, на которых появляются срывы ниток, скалывания или трещины. Шлифование делают кругами из карборунда со средними характеристиками твердости, иногда вместо кругов используют шлифовальную бумагу.

Полируют детали для получения на выходе из цеха изделия с высококачественной поверхностью. Для процедуры берут мягкие круги, которые составлены в виде пакета из муслиновых дисков различных диаметров, хорошо работают в шлифовании круги из фетрового материала. Одна часть шлифовочного диска с нанесенным на ней абразивом, вторая свободна от наждачного слоя и применяется для протирки.

Большинство процессов переработки пластмасс в изделия включает в себя три основные операции:

• а) нагревание и раз­мягчение полимера;
• б) собственно формование изделий;
• в) охлаждение изделий.

Прессование, хотя и является старейшим методом переработки полимеров в изделия, все еще остается одним из основных. Технология процесса состоит в том, что материалу под давлением до 200 МПа придают заданную форму. Прессованием перераба­тывают как термореактивные, так и термопластичные полимерные материалы.

Прессование — удобный способ, которым можно получать изделия хорошего качества с высокой точностью размеров. Однако н аппаратурном оформлении этот метод достаточно громоздок и малопроизводителен.

Прямое (компрессионное) прессование применяют главным образом для термореактивных пластмасс и резин, хотя в принципе оно применимо и для переработки термопластов. Но в последнем случае необходимость охлаждения формы перед извлечением из нее изделия удлиняет цикл, усложняет процесс и часто делает сто нерентабельным.

Дальнейшим логическим развитием прессования с предварительным нагревом полимерных материалов является метод литьевого прессования, при котором порция полимера расплавляется в камере перед формой, а затем расплав подается в форму, где осуществляют собственно прессование под давлением и отверждение.

Метод литья под давлением является развитием процесса литьевого прессования. По этой технологии полимер расплав­ляется в материальном цилиндре литьевой машины, а затем нпрыскивается непосредственно в охлажденную форму. Процесс литья под давлением осуществляется на поршневых и шнековых машинах (рис. 9.2).

Использование шнекового (червячного) пластикатора с возвратно-поступательным движением шнека вместо плунжера позволяет не только нагреть и пластицировать полимер перед впрыском, но и улучшить гомогенизацию расплава и повысить точность дозирования.

Факторы, влияющие на качество конечного продукта при литье под давлением, сложны и взаимозависимы.

Экструзия — достаточно старый и хорошо известный технологический процесс. Ее применяют в различных отраслях промышленности для переработки самых разных материалов — от изготовления макарон до производства керамических труб. Любой, кто выдавливал зубную пасту из тюбика или пользовался мясорубкой, воспроизводил экструзионные процессы. Методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия (трубы, пленки) и формованные выдувные изделия.

На рис. 9.3 показаны схемы технологических процессов изготовления изделий из полимеров, в основе которых лежит экструзия.

Одно из основных достоинств одношнекового экструдера — относительная простота конструкции и, как следствие этого, низкая стоимость. В связи с этим одношнековые экструдеры широко используются в современной химической технологии.

Одношнековый экструдер обычно характеризуют основными параметрами шнека — диаметром и отношением длины к диаметру. Производительность экструдера зависит от его характеристик и от свойств перерабатываемого материала.

При конструировании формующего инструмента необходимо учитывать особенности течения расплавов полимеров.

Экструзионно-выдувной метод широко применяют для изготовления полых (объемных) изделий. С его помощью получают контейнеры различной емкости — от топливных баков до маленьких медицинских флаконов (рис. 9.4).

а — подача заготовки; б — выдувание; в — охлаждение изделия; г — удаление изделия из выдувной формы

Вначале экструдируют тонкостенную трубу (шланг), которая затем разрезается на отрезки определенной длины. Отрезок трубы, называемый заготовкой, помещают между двумя частями полой раздувной формы. Форму смыкают, после чего заготовку раздувают.

Каландрование является одним из методов переработки поли­меров. В процессе каландрования получают листы и пленки из пластмасс. Каландр состоит из трех или более нагретых валкой Проходя между ними, высоковязкая полимерная масса пере­рабатывается в пленку или лист. Масса материала подается в зазор между двумя первыми валками, оттуда она выходит уже в виде пленки. Затем материал проходит вокруг остальных валков, каждый из которых выполняет определенную функцию.

В обычном четырехвалковом каландре имеются три формующих (рабочих) зазора; первый регулирует скорость подачи материала, второй действует как дозирующее устройство. Толщину листа определяет зазор между последней парой валков (рис. 9.5). Эти валки могут быть глянцевыми, матовыми или рифлеными. Каландрование часто сравнивают с экструзией, рассматривая последнюю пару валков как фильеру с вращающимися поверхностями.

1 — основной каландр; 2 — гофрирующий каландр; 3 — регулятор толщины; 4 — система водяного охлаждения; 5 — компенсатор; 6 – намотчик

Листы и пленки высокого качества можно с одинаковым успехом получать как каландрованием, так и экструзией. В общем случае нелегко оценить преимущества и недостатки этих процессов, и обычно приходится решать в каждом конкретном случае, какой метод следует выбрать. Можно, однако, констатировать, что пленки и листы из полиэтилена, полипропилена и полистирола чаще получают экструзией. Что касается переработки ПВХ, а также резины, то для этих целей почти всегда используют каландрование, так как при каландровании опасность деструкции полимера меньше, чем при экструзии.

Экструдеры легче размещать и удобнее обслуживать, чем ка­ландры. Однако каландры обеспечивают более высокие рабочие скорости, чем экструдеры, что свидетельствует о преимуществе технологических линий на базе каландров, несмотря на то, что для их размещения необходимы большие производственные площади.

Термоформование изделий из листовых и пленочных по­лимерных материалов объединяет три основных метода: ва­куум-формование, пневмоформование и формование с помощью сопряженных металлических форм. Всех их объединяет то, что при этом изделия из листовых пластиков можно получать, прижимая размягченный полуфабрикат к оформляющей внутренней или внешней полости формы.

Наибольшее распространение в промышленности имеет вакуум-формование (рис. 9.6). В этом процессе обычно используют листы, которые закрепляют в раме, а затем нагревают. По достижении необходимой температуры и состояния полимерного листа его нагрев прекращают и из полости между листом и формой откачивают воздух. Атмосферное давление прижимает лист к фор­ме, на которой он охлаждается и затвердевает, точно воспроизводя ее геометрию.

а — нагрев заготовки; 6 — предварительная вытяжка материала; в — формование вакуумом; г — удаление отформованного изделия

Одно из основных преимуществ процесса термоформования состоит в низкой стоимости форм. При изготовлении образцов или опытных партий изделий обычно используют формы из таких материалов, как дерево, бетон, пластмассы и металлонаполненные эпоксидные смолы. Формы, предназначенные для длительной эксплуатации, как правило, выполняют из стали или алюминиевых сплавов.

Технология термоформования относительно проста и дешеви, при этом используется простое оборудование, а исходными материалами служат пленки в рулонах или листы. Недостаток этой технологии состоит в большом количестве образующихся отходов, которое при формовании некоторых изделий достигают 40 %.