Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Современные методы переработки пластмасс

Новые материалы требуют новой технологии

Мы знаем, что строение пластмасс и традиционных металлических материалов существенно различаются. Нужна иная перерабатывающая техника. Было бы бесполезно отвержденные термореактивные материалы пытаться пластически деформировать или сваривать. В процессе вытяжки термопластичных материалов наблюдаются ориентационные эффекты, которые могут повышать их прочность. Этот эффект используют в технике производства полимерных пленок.

Новые материалы требуют специальных новых методов переработки, но и традиционные методы можно приспособить для этой цели.

Преимущества переработки пластмасс состоят прежде всего в минимуме потерь материала, а также в возможности ступенчатого проведения и автоматизации всего процесса изготовления изделий. Высокая степень использования полимерных материалов (90% по сравнению с 60% для металлов) является результатом того, что пластическое деформирование, к которому относятся экструзия, литье под давлением, вакуумное формование, не дают такого большого количества отходов, как обработка металлов резанием.' Изделия из пластмасс, напротив, часто уже на первой технологической стадии переработки приобретают заданную геометрическую форму и качество поверхности. Отпадает также необходимость защиты поверхности от коррозии-значит, не нужна техника, применяемая для нанесения защитных покрытий. Краситель можно добавить в сырье и получить материал требуемого цвета без описанных выше затрат. Сэкономленные таким образом средства могут быть направлены на развитие технологии.

Ниже приведены примеры некоторых современных методов переработки пластмасс.

Изготовление пластмассовых труб

Пластмассовые трубы за последние два десятилетия приобрели громадное значение. При разработке рациональных методов их производства было сделано все, чтобы использовать ценные свойства полимерных материалов в строительстве трубопроводов. Для трубопроводов используют как термопласты, так и реактопласты. В количественном отношении доминируют первые, главным образом поливинилхлорид, полиэтилен, сополимер акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (АБС-пластик). Из термореактивных материалов для изготовления труб используются усиленные стекловолокном полиэфирные и эпоксидные смолы благодаря их хорошим механическим свойствам. Кроме того, увеличивается число комбинированных материалов из термо- и реактопластов, а также комбинации металлов с высокомолекулярными соединениями.

Основными видами технологии в производстве труб являются экструзия, обмотка и нанесение покрытий. Они позволяют решить сложные задачи, возникающие при изготовлении труб большого диаметра. Важнейшей технологией для труб, так же как для других профильных изделий, является экструзионная. Сначала материал для труб проходит стадию подготовки. С порошкообразным ПВХ интенсивно перемешиваются до двенадцати компонентов разного назначения, например для повышения стойкости пластмассовых труб к возникающим нагрузкам.

В экструдере ( 58) порошок расплавляется и в вязкотекучем состоянии продавливается под высоким давлением через формующий орган. Перемещение порошка в экструдере, создание давления, пластикация и перемешивание материала осуществляются с помощью шнеков. Их количество, конструктивное исполнение, число оборотов определяется видом перерабатываемого материала и может изменяться.

Внутренний диаметр трубы из пластической массы формируется в экструзион-ной головке с помощью дорна, а внешний-калибрующим мундштуком. Трубы охлаждаются, проходя через водяную ванну.

После охлаждения в ванне бесконечную трубу захватывает роликовый транспортер, поперечной пилой отделяют кусок нужной длины и по наклонному транспортеру отправляют к месту хранения.

Возрастающие требования по увеличению размеров производимых труб, несомненно, технически можно удовлетворить, все более увеличивая мощность машин, особенно экструдеров. Однако неизбежно возникает вопрос, выгодно ли изготавливать трубы диаметром, например, более 1000 мм по ставшей уже традиционной технологии? Высокая стоимость подобных установок, трудность их переналадки для производства труб различного размера, большие габариты и высокая энергоемкость, длительный срок окупаемости капитальных вложений усиливают эти сомнения. При незначительном количестве труб болыиих размеров их изготавливают следующим образом. Горячим формованием пластин получают полуоболочки или сегменты, затем с помощью продольных и круговых сварных швов изготавливают трубы желаемой длины. Такой способ характерен, например, для изготовления резервуаров из термопластов при малом их количестве.

Указанные выше проблемы привели к разработке и применению нового принципа для производства труб, который в последние годы воплотился в экструзионно-обмоточной технологии. Этим способом можно изготавливать трубы теоретически любого диаметра, толщины стенок и профиля. Их уже производят диаметром от 600 до 2500 мм и длиной до 18 м.

Из экструдера выходит гладкая или профилированная лента и по спирали наматывается на обогреваемый кожух, двигающийся поступательно и в то же время вращающийся вокруг собственной оси ( 59). При этом в областях соединения внахлест лента сплавляется.

Выбирая толщину и профиль стенок, можно и дальше приспособиться к требованиям, которые предъявляются к прочностным и упругим свойствам труб.

Изготовление емкостей

Способ изготовления емкостей зависит от многих факторов: материала, формы, условий эксплуатации и других. Постоянно растущие требования к эксплуатационным характеристикам и вместимость емкостей привели к тому, что их стали изготавливать из стеклопластиков и комбинированных материалов с помощью высокомеханизированных или автоматизированных методов. Из термопластичных материалов изготавливают сравнительно мало емкостей, потому что они не способны выдерживать высокие нагрузки.

При изготовлении сосудов ввиду многообразия перерабатываемых материалов особенно пригодной оказалась технология экструзионной раздувки. Фляги, канистры,   бутылки,   изготовленные   из пластмасс методом раздувания, уже давно известны в упаковочной технике и находят там все более широкое применение. Современная экструзионно-раздувная технология позволяет получать большие резервуары (до 2,0 м3). Разработана технология изготовления резервуаров вместимостью до 5 м3. Большинство таких сосудов предназначено для хранения жидкостей. Процесс производства осуществляется в две стадии: сначала экструдируется трубчатая заготовка, а затем под действием давления воздуха, подаваемого в заготовку, изделие приобретает окончательную форму ( 60).

Для изготовления сосудов из стеклопластиков в последние годы все чаще применяется технология обмотки ( 61). Необходимые прочностные свойства сосудов достигаются за счет точно установленного порядка расположения усиливающего материала, имеющего форму нитей из стекловолокна. При высоком содержании усиливающей основы может быть достигнуто сопротивление кратковременным нагрузкам порядка 600-800 МПа.

При использовании всех технических возможностей, особенно автоматизации, можно добиться сплошной обмотки, включая днище. Общим принципом для различных технологических схем является то, что усиливающий материал пропускается через ванну, в которой он пропитывается смолой. Лишняя смола и образовавшиеся воздушные пузыри устраняются при прохождении через мундштук экструдера или отжимные ролики. Под заданным углом пропитанный смолой материал наматывается на дорн. Когда достигнуто предусмотренное число слоев, а значит, и толщина стенок, слоистый пластик отверждают в печах при 80-120 °С в течение примерно 1 часа.

Изготовление фасонных деталей- литьем под давлением

Из полимерных материалов можно изготавливать не только трубы и крупные емкости. Еще важнее, что из них можно отливать фасонные детали для всех областей техники. Их ассортимент весьма богат от шестерен, являющихся важнейшими элементами конструкций в машиностроении, до транспортных кузовов, от арматуры и электротехнических деталей до бытовых приспособлений. Эти детали могут быть и легче грамма, и требовать более килограмма материала.

Изделия такого типа необходимы в большом количестве, поэтому для их изготовления требуется высокопроизводительная технология. Используемый уже многие годы метод литья под давлением позволяет в одном рабочем процессе получать профильные детали массой от 2 г до 25 кг. (В последнем случае необходимы литьевые машины размерами с локомотив.) Для изготовления маленькой детали необходимо менее секунды, а для больших-2-3 минуты.

Наибольшей способностью к переработке методом литья под давлением обладают термопласты: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиамид, поликарбонат, полиуретан, политетрафторэтилен, полиметилметакрилат. Из термореактивных материалов этим методом перерабатывают полиэфирные и эпоксидные композиции, амино- и фенопласты. Термопластичные материалы претерпевают пронессы физического превращения: пластикации и отверждения. Напротив, при переработке реактопластов протекает химический процесс, который начинается при пластикации и завершается при отверждении.

Технология литья под давлением ( 62) заключается в пластикации термопластичной формовочной массы в обогреваемом цилиндре литьевого экструдера, которая на заключительном этапе под высоким давлением продавливается через литьевую головку и литьевые каналы в пресс-форму. Затем следует охлаждение, и после раскрытия пресс-формы деталь автоматически извлекается.

Пенопласты на основе полистирола и полиуретана

Появление пористых материалов на основе высокополимеров оказало заметное влияние на самые разные области техники. Причиной этому не только их малая плотность, но и прекрасные теплоизоляционные свойства таких не достичь при использовании других материалов. Хотя способно вспениваться большинство полимерных материалов, используются преимущественно два полистирол и сшиваемый полиуретан, из которых первый является термопластом, а второй реактопластом.

Из пенополистирола изготавливают гладкие и профилированные пластины, полуоболочки и профильные детали для утепления зданий, емкостей, трубопроводов и т.д. В комбинации с металлическими пленками, а также как основной материал так называемых «сандвичей» (см. ниже) он применяется для изготовления строительных конструкций. Пенополистирольная упаковка применяется для' защиты изделий от ударов и воздействия температуры при транспортировке.

Как получают пенистый материал? В полистирол добавляют порообразователь и нагревают до 90-105 °С. При этом объем вспененного материала увеличивается по сравнению с исходным объемом гранул в 20-80 раз. Эта стадия переработки называется предварительным вспениванием. Непосредственно после нее проводится промежуточная вылежка. При этом воздух диффундирует во вспененный материал и уменьшает разность давлений. Вылежавшиеся частицы насыпают в форму и подвергают новому нагреву в области 100-110 °С до тех пор, пока форма не заполнится. При этом сплавленные гранулы разделены прочными твердыми границами. Вспененный материал с закрытыми ячейками имеет плотность от 10 до 30 кг/м3 и на 98% состоит из воздуха.

Вспенивание позволяет изготавливать блоки объемом более 10 м3, а профильные пластины и детали-с горизонтальными проекциями размеров более метра. Их производство осуществляется с помощью частично или полностью автоматизированных вспенивающих машин.

Экструзия из полистирола нерастягивающихся вспененных пленок другой вариант технологической переработки, нашедший в последние годы широкое применение.

Технологические принципы производства термореактивного пенополиуретана естественно, должны отличаться от рассмотренных выше. Здесь исходными являются два жидких компонента, которые состоят из смеси полиспиртов и диизоциа-ната в качестве сшивающего агента. Из лег-коуправляемой двухкомпонентной системы могут быть получены жесткие, полужесткие или мягкие пены. По сравнению с пенополистиролом пенополиуретан имеет более высокую термическую и механическую стойкость, что позволяет использовать его в условиях действия высоких нагрузок, особенно как элемент слоистых конструкций.