Полное руководство по обработке и фabricации пластиков

Обработка и фabricация пластиков включают различные стадии. Пластики сегодня неотъемлемы в быту, что вызвало взрывной спрос. Производители предпочитают перерабатывать пластик в новые изделия: например, гранулы в пленки, пленки — в пищевые контейнеры. Перерабатываемые пластики (термопласты) — самый дешевый способ поддержания производства. Термореактивные пластики (реактопласты) нельзя повторно расплавить и переформовать.

Читайте о термопластах и реактопластах!

Сегодня вы узнаете о различных процессах фabricации пластиков, методах обработки, переработке и восстановлении ресурсов. Обработка пластиков касается термопластов и реактопластов.

Компаундирование (смешивание)

Компаундирование — первый шаг в большинстве процессов фabricации пластиков. Это смешивание сырьевых компонентов в пропорциях по определенному рецепту. Полимерные смолы поставляют в виде цилиндрических гранул (несколько мм в диаметре и длине) или хлопьев и порошков. Другие формы: вязкие жидкости, растворы, суспензии.

Жидкости смешивают с другими компонентами в мешалке, но некоторые операции требуют спецоборудования. Сухая смесь — процесс перемешивания сухих ингредиентов для дальнейшего использования, например, пигментов, стабилизаторов или наполнителей.

Поливинилхлорид (ПВХ) — пористый порошок — смешивают с жидким пластификатором в вибрационном желобе (ленточный смеситель) или в барабанном смесителе. Это также процесс смешивания: жидкость проникает в поры смолы, итоговая смесь содержит до 50% пластификатора, но остается сыпучим порошком, сухим на вид.

Формовка

Формовка — процесс придачи пластику различных форм, включающий плавление, формообразование и затвердевание. Пример: гранулы полиэтилена нагревают выше температуры плавления T_m, помещают в форму под давлением и охлаждают ниже T_m для размерной стабильности. Термопласты в целом затвердевают охлаждением ниже T_g или T_m, а реактопласты — нагревом для химических реакций сетеобразования.

Экструзия

Экструзия — процесс, при котором расплавленный полимер прессуют через формовочное отверстие (матрицу) определенного сечения, получая непрерывный профиль с постоянным сечением. Термопласты чаще экструдируют и охлаждают, реактопласты — экструдируют и сетеобразуют нагревом экструдата.

Продукты экструзии: пленка, лист, трубки, трубы, изоляция, обшивка домов и др. Профиль задается геометрией матрицы, затвердевание — охлаждением.

Схема винтового экструдера для термопластов

Ниже схема продольного сечения винтового экструдера. Гранулы из бункера попадают в барабан, где постепенно плавятся от механической энергии вращающегося винта. Нагреватели расположены вдоль барабана. Расплав прессуют через матрицу, придающую форму изделию.

Схема пузырьковой экструзии

В отличие от винтового экструдера, большинство полиэтиленовых пакетов делают пузырьковой экструзией. Это непрерывная экструзия трубки. Трубку расширяют перед охлаждением, заставляя течь вокруг массивного воздушного пузыря. Воздух не выходит из пузыря, так как пленку схватывают с другой стороны.

В некоторых случаях многослойные структуры делают одновременной экструзией нескольких материалов через одну матрицу или через несколько. Многослойные пленки полезны: внешние слои дают прочность и влагозащиту, внутренний — контролируют проницаемость кислорода, критично для пищевой упаковки.

Пузырьковая экструзия может формировать многослойные пленки, или экструдаты с трех машин прессуют в блочной матрице в трехслойный плоский лист, затем охлаждают контактом с охлажденным валом.

На схеме пузырьковой экструзии термопластов: расплав проходит через ман드рель трубки, расширяется в шар воздушным потоком, валки тянут вверх, сжимают в сложенный лист для нарезки на изделия.

Поток через матрицу часто ориентирует полимерные молекулы. Ориентацию усиливают дотягиванием — растяжением экструдата в направлении потока или другом до или после частичного затвердевания.

В пузырьковой экструзии молекулы ориентируются по окружности пакета и вдоль его длины. Образуется биаксиально ориентированная структура с превосходными механическими свойствами по сравнению с неориентированным материалом.

Прессовка (Compression molding)

В прессовке формовочный порошок (гранулы) нагревают и одновременно прессуют в заданную форму. Применимо к термопластам и реактопластам. Для реактопластов плавление должно быть максимально быстрым, так как сетеобразование начинается сразу. Важно, чтобы расплав полностью заполнил форму до затвердевания, прекращающего течь.

Высокоскрещиваемую деталь можно извлечь без охлаждения формы. Добавление следующей заряда упрощается прессовкой точного количества холодного порошка в предформу «бисквит». Бисквит можно предварительно нагреть микроволновой энергией до температуры реакции перед закладкой в полость.

Нагреватель типа микроволновки может подавать до 10 кВ при частоте 1 МГц. Промышленные прессы с высокими температурами и давлениями сокращают цикл формовки. Готовое изделие выталкивают выталкивателями автоматически при раскрытии формы. В большинстве случаев загрузка смолы до полного плавления вызывает недопустимые напряжения в других частях.

В одном варианте прессовки перед вводом смолы укладывают слой армирующего материала. Температура и давление не только формируют массу, но и связывают арматуру и смолу в единое целое. При использовании плоских пластин как формы можно прессовать листы разных материалов в ламинированный лист.

Фанера — пример термореактивного ламината. Слои дерева склеены и пропитаны термореактивной смолой (мочевиноформальдегидной), образующей сетку при нагреве.

Литье под давлением (Injection molding)

Прессовка термопластов медленна и неэффективна: деталь должна остыть в форме, требующей охлаждения, а затем форма снова нагревается для следующей детали.

Литье под давлением устраняет эту неэффективность. Оно похоже на трансферную формовку: расплавление смолы и регулирование ее потока происходят в горячей части аппарата, а формовка и охлаждение — в холодной.

В машине с возвратно-поступающим винтом материал падает из бункера на вращающийся винт под действием гравитации. Винт дает механическую энергию, вспомогательные нагреватели переводят смолу в расплав. Винт отходит к бункеру. Когда достаточно смолы расплавлено, винт движется вперед как поршень, прессуя полимер через заслонку в холодную форму. Пластик затвердевает, форма раскрывается, выталкиватели выталкивают изделие. Форма закрывается, зажимается, винт вращается и отходит — цикл повторяется.

Выше описан принцип работы литья под давлением. См. схему ниже!

На схеме показана работа литья под давлением термопластов.

Литье реакционной смесью (Reaction injection molding)

RIM — формовка сетеобразующих термореактивных полиуретанов. Часто для автодеталей: бамперы, внутренние панели. Два жидких предшественника полиуретана: полифункциональный изоцианат и преполимер. Низкомолекулярный полиэфир или полиэфир с множеством реактивных конечных групп (гидроксиль, амин, амид).

Катализатор (оловянное мыло) заставляет реагенты быстро образовывать сеть уретановых групп. Реакция настолько быстра, что предшественники смешивают в специальной головке и сразу впрыскивают в форму.

Изделие требует очень малого давления для заполнения формы, особенно если при впрыске выделяется немного газа — объем полимера расширяется, снижая сопротивление течению.

Благодаря низкому давлению формовки можно использовать легкую и дешевую форму даже для крупных деталей: бамперы, двери холодильников.

Дутье (Blow molding)

Дутье применяют для термопластиковых емкостей, требующих малого участия в развитии. Термопластическая полая трубка (парисон) формируется литьем под давлением или экструзией. В нагретом виде трубку загерметизивают с одного конца и надувают как шар. Расширение происходит в раскладной форме с холодной стенкой: при контакте термопласт остывает и становится размерно-стабильным.

Парисон можно запрограммировать при формировании с переменной толщиной стенки по длине, чтобы контролировать итоговую толщину в углах и критических зонах. При растяжении и по диаметру, и по длине (stretch blow molding) полимер биаксиально ориентируется, повышая прочность. Кристалличность возрастает для полиэтилентерефталата (ПЭТ).

Дутье пластиковых емкостей

На схеме: расплав экструдируется в полую трубку-парисон. Раскладная форма закрывается на парисоне, воздух расширяет его к стенкам. После затвердевания форма открывается, бутылка извлекается.

Традиционно дутье делают бутылки из полипропилена, полиэтилена, полистирола, поликарбоната, ПВХ, ПЭТ для бытовых товаров. Также топливные баки авто. Для высокоплотного полиэтилена надутую деталь дополнительно обрабатывают трехокисью серы для устойчивости к набуханию и проницаемости бензина.

Литье и обмакивание (Casting and dipping)

Не все процессы требуют высоких давлений. Если материал стабильная жидкость, достаточно просто залить (отлить) в форму. Форма не должна быть массивной, даже циклическое нагревание/охлаждение термопласта работает нормально.

Пример отливного термопласта: суспензия мелкодисперсного низкопористого ПВХ в пластификаторе (диоктилфталате). Суспензия образует свободнотекучую жидкость (пластизоль), стабильную месяцами. Но при нагревании (60 частей ПВХ + 40 частей пластификатора) до 180 °C на 5 минут ПВХ и пластификатор образуют однородный гель, не разделяющийся при остывании.

Термореактивные материалы тоже отливают: смесь полимера, многофункциональных мономеров и инициатора вливают в нагретую форму. Изделие извлекают после полимеризации. Так делают прозрачные линзы из даллилгликолкарбоната и радикального инициатора.

Для полых изделий идеальна ротационная формовка. Раскладную форму частично заполняют пластизолом или мелкодисперсным порошком полимера. Вращение формы при нагревании превращает жидкость или спекствует порошок в непрерывную пленку на внутренней поверхности. Полую деталь извлекают после остывания и раскрытия формы. Так делают мячи, куклы и др.

Термоформирование и холодная формовка (Thermoforming and cold molding)

Лист термопласта нагревают выше T_g или T_m, чтобы он стал гибкой мембраной (при достаточном молекулярном весе для удержания растяжения). Вакуумом притягивают лист к холодной поверхности формы, где он остывает ниже T_g или T_m и зафиксировывается в форме. Часто делают стаканчики для холодных напитков из полистирола или ПЭТ.

Термопласты можно формовать без нагрева — достаточным давлением. Это холодная формовка. Делают стаканчики для маргарина и контейнеры для охлаждаемых продуктов из листов акрилонитрил-бутадиен-стиролного кополимера.

Пенообразование (Foaming)

Пенообразование в обработке пластиков — также пенистые пластики. Имеют свойства для специфических применений. Теплопроводность пены ниже твердого полимера. Пенистый полимер жестче твердого при равном весе. Пены схлопываются под сжатием, поглощая энергию — выгодно для защитной упаковки. Свойства варьируются выбором полимера и способа пенообразования. Главный рынок — утепление домов (полистирол, полиуретан, фенол, формальдегид) и упаковка (одноразовая посуда). На схеме — полистироловая упаковка.

полистирол

Полистироловая упаковка.

Пенистые термопласты

Изопентан промачивают в гранулы полистирола при комнатной температуре и умеренном давлении. При нагревании гранулы спекются одновременно с испарением изопентана — пенится полистирол, сборка охлаждается.

Гранулы обычно предпенят перед закладкой в форму для стаканов или жесткой упаковки. Изопентан-содержащие гранулы можно нагреть под давлением и экструдировать — получают непрерывный лист пенополистирола, который в теплом состоянии формосуют в упаковку, посуду, ячейки для яиц.

Структурные пены получают впрыском азота или другого газа в расплав термопласта (полистирол, полипропилен) под давлением в экструдере. Такие пены плотнее, но обладают отличной прочностью и жесткостью — для мебели и архитектуры.

Другой способ — вещество, разлагающееся с выделением газа при нагревании. Эффективный пенообразователь должен разлагаться при температуре формовки пластика, в узком температурном интервале, выделять большой объем газа, быть безопасным. Популярный агент — азодикарбонамид. Его компаундуют с другими компонентами для настройки температуры разложения и диспергирования в смоле.

Один моль азодикарбонамида (116 г) дает ~39 000 см³ азота и других газов при 200 °C. 1 г на 100 г полиэтилена дает пену объемом >800 см³. Пенятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиамиды, пластифицированный ПВХ.

Пенистые реактопласты

Как в RIM, быстрая реакция изоцианатов с гидроксилсодержащими преполимерами дает полиуретаны. Их тоже пенит внесением летучей жидкости, испаряющейся при реакционном тепла и пенящей смесь. Жесткость сети определяют компоненты, особенно преполимер.

Гидроксилтерминированные полиэфиры дают мягкие пены для мебельных наполнителей. Гидроксилтерминированные полиэфиры — для жестких пен (упаковка бытовой техники). Благодаря отличной адгезии полиуретанов к металлам применяют в авиации: заполнение и изготовление жестких элементов — рули и элеваторы.

Другой жесткий реактопласт для пенообразования — фенолформальдегидные смолы. Финальная стадия сетеобразования запускается кислотным катализатором в присутствии летучей жидкости.

Смотрите видео ниже, чтобы узнать больше об обработке пластиков:

Финишная обработка (Finishing)

Сварка (Joining)

Пластики часто сваркивают, как металлы. Поверхности контактируют и нагреваются проводимостью или диэлектрическим нагреванием. Пример: ПВХ и полиэтиленовые баки и воздуховоды. Термосварка пакетов из пузырьковой экструзии полиолефинов (полиэтилен, полипропилен) требует контакта с горячей сварной панелью.

ПВХ с достаточно высокими диэлектрическими потерями нагревается во всем объеме в высокочастотном высоковольтном электрическом поле.

Механическая обработка (Machining)

Жесткие термопласты и реактопласты обрабатывают стандартными методами: сверление, пилирование, шлифовка, токарная обработка. Часто стеклопластики делают шестерни, шкивы и др., особенно когда серийность не оправдывает металлическую форму. Листы термопластов и реактопластов штампуют (штамповка) в разные формы. Пример: стаканчик вакуумной формовки вырезают из исходного листа острым штампом. При термопластах (полистирол) обрезки перемалывают и переплавляют.

Покрытие (Coating)

Часто цвет вносят пигментом или красителем по всему объему изделия. Во многих применениях поверхностное покрытие служит защите или декоративным целям. Автомобильный бампер из RIM красят в цвет кузова. Покрытие наносят только на пластики, растворитель которых не вызывает набухания подложки. Поэтому латексные дисперсные краски полезны, хотя требуется подготовка поверхности для адгезии.

Волокнистое армирование (Fibre reinforcement)

Полимерно-матричный композит описывает пластиковые материалы с несколькими фазами. Часто означает системы, где непрерывная фаза (матрица) — полимер, а другая фаза (армирование) имеет хотя бы одно большое измерение. Основные классы: дискретные слои (сэндвич-ламинаты) и армированные волокнистыми матами, тканями или длинными непрерывными нитями стекла или других материалов.

Сэндвич-ламинаты

Фанера — сэндвич из натуральных древесных волокон с пластиками. Слои отличаются, скреплены и пропитаны термореактивной смолой (мочевиноформальдегидной). Декоративный ламинат может состоять из полудюжины слоев крафтовой бумаги (как пакеты) с декоративным верхом. Скребливание фанеры и бумажного ламината — прессование и нагрев в больших ламинировочных прессах.

Стеклопластик

Хотя другие волокна (углерод, бор, металлы, арамидные полимеры) могут служить армировкой, стекловолокно — самое распространенное. Поставляется в виде матов из хаотично ориентированных микроволокон, тканей и непрерывных/прерванных нитей.

Переработка и восстановление ресурсов пластика

Переработка и восстановление пластика — критически важный этап. Применяют благоприятные методы утилизации и рециклинга. Как бумага, стекло, алюминий перерабатываются годами, так пластик стал обыденным — его можно повторно использовать с пользой.

Хотя в переработке пластиков есть технические и экономические проблемы, обобщенно в двух категориях:

1. Идентификация, сегрегация (сортировка) и сбор в центральные пункты.
2. Экономика восстановления ценности.

Идентификация, сегрегация, сбор

Пластик — основная упаковка товаров. Недавно рециклинг фокусируется на таре. Почти все бутылки, поддоны, стаканчики, тарелки из основных товарных пластиков несут идентифицирующий номер в треугольнике с аббревиатурой.

Во многих регионах потребителей поощряют возвращать пустую тару в магазин. При покупке взимают залог за единицу. Метод решает две главные проблемы экономичного рециклинга. Работает, потому что потребители хотят вернуть залог — сами сортируют, магазины собирают пластик в центры. Закон о залоге резко снизил пластик в мусоре на обочинах. Помог поднять уровень переработки бутылок, особенно ПЭТ и высокоплотного полиэтилена (ВПЭ). Более 10% всех пластиковых изделий перерабатываются после первого использования.

С другой стороны, большинство пластиков в долгосрочных применениях: бытовая техника, строительство, мебель. Это затрудняет рециклинг.

Экономическое восстановление ценности

Термопласты перерабатываются легче реактопластов, но с ограничениями. Во-первых, рециклируемый пластик может быть загрязнен непластиками или другими полимерами исходного изделия. Во-вторых, в рамках одного типа полимера есть различия в молекулярном весе. Поставщик полистирола может производить высокомолекулярный материал для литых поддонов (процесс требует высокую вязкость и эластичность расплава). Другой поставщик — низкомолекулярный для литья под давлением разовых столовых приборов (нужна низкая вязкость и малая эластичность). При смешивании в рециклинге смесь не подойдет ни для одного из исходных применений.

Частая проблема — смешение пигментов/красителей разного цвета. Проблема контроля качества: почти все пластики меняют свойства от использования или первичной фabricации. Например, изменение молекулярного веса из-за перекрестного сцепления или разрыва цепей (разрыв химических связей полимерной цепи). Другие подвергаются окислению — распространенная реакция, меняющая свойства.

Заключение

В этой подробной статье об обработке и фabricации пластиков рассмотрены компаундирование, формовка, экструзия, формовка под давлением. Разобраны виды формовки: литье под давлением, реакционное литье, дутье, литье и обмакивание. Поняли пенообразование и финишные операции фabricации пластиков.

Надеюсь, статья понравилась. Комментируйте любимый аспект, задавайте вопросы и делитесь с техническими студентами. Спасибо!

Волокно-наполненные пластики: преимущества, применение и ключевые свойства Полимеры: определение, виды, свойства и применение