Переработка полиэтилена

Разновидность процессов литья под давлением термопластов

Способ интрузии – основан на самопроизвольном заполнении формы под давлением создаваемым вращательным движением шнека который находится в левом положении. Способ используют при изготовлении толстостенных крупногабаритных изделий.

Инжекционное пресс-литье – заключается в двухстадийном формовании изделия с использованием поэтапного смыкания формы. Сначала осуществляется впрыск необходимой дозы расплава в полость формы, которая имеет увеличенный объем в сравнении с объемом изделия (1 ступень смыкания). Второй этап представляет собой раздавливания расплава по всей полости формы вследствие концевого смыкания формы до 2й ступени смыкания за счет увеличения давления в узле запирания литьевой машины. Пресс-литье используется для производства тонкостенных крупногабаритных изделий. Такой способ позволяет уменьшить давление литья на 50-80%, реальные значения могут достигать 250-320 МПа.

Многокомпонентное литье – к этому методу относят литье при котором в одном гнезде формы получают монолитное изделие состоящее из нескольких частей (от 2 до 4), соединенных между собой, но различных по цвету или типу полимера. Метод разделяют: на открытое литье – когда отдельные части изделия видимые, т.к. изделие формуется из одного и того же материала только разного цвета (упрощенное название – «многоцветное литье»); и закрытое литье – при котором видимой является только одна часть, а остальные являются внутренними (второе название многополимерное литье т.к. используется разное сырье).

Литье с газом "gas-assisted injection molding" (GAIM) – можно выделить как отдельный высокотехнологический метод переработки полимеров на базе метода литья под давлением. Особенностью процесса является то, что кроме давления, создаваемого червяком машины, на расплав действует газ, подаваемый в форму, через специальные впускные отверстия. Метод литья с газом дает расширенные возможности конструктору изделия по сравнению с обычным литье под давлением. В частности эта технология позволяет получать изделия, которые трудно или невозможно получить обычным литьем: толстостенные и полые изделия, а также изделия с большой разнотолщинностью. Литье с газом позволяет получить изделия с хорошим качеством поверхности, без утяжек и коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений, т.е. с высокой стабильностью размеров. При литье с газом применяются обычные литьевые машины, и это является одной из причин популярности этой технологии. Одно из преимуществ литья газом - возможность использования литьевых машин с существенно меньшим усилием замыкания, что дает большой экономический эффект при литье крупногабаритных изделий. 
     В качестве газа обычно применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен. Перед окончанием цикла литья азот откачивают из изделия и используют в следующих циклах. В некоторых вариантах технологии вместо азота используют сжатый воздух. Однако, кислород, содержащийся в сжатом воздухе, может взаимодействовать с расплавом ряда полимеров. Технологии литья с подачей газа в расплав полимера эффективны для получения изделий следующих типов: разнообразные ручки, вешалки для одежды, подлокотники офисных кресел, автомобильные бамперы и панели приборов, корпусные детали телевизоров, мониторов, компьютеров, медицинского оборудования, оргтехники, бытовой техники, пластмассовая мебель, панели, тара, и т.д.

 
Рис. 5. Принципиальная схема литья под давлением с газом

Water Assisted Molding (WAM) — литье под давлением с водой. Данный метод похож на Gas Cool, но для охлаждения используется вода вместо газа. Это позволяет добиваться ещё большего снижения времени в фазе охлаждения — до 60%. Кроме того, WAM улучшает внутреннюю поверхность изделия и снижает общий вес изделия. Недостатки WAM — нельзя использовать для изделий с комбинацией тонкой и толстой секций, требуются дополнительные инвестиции и большая безопасность производства. 

 
Рис. 6. Water Assisted Molding (WAM) — литье под давлением с водой.

 
В. Экструзия – это способ переработки полимерных материалов непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой определяет профиль получаемого изделия или полуфабриката.  
Основным оборудованием экструзионного процесса является червячный экструдер, оснащенный формующей головкой. В экструдере полимерный материал расплавляется, пластицируется и затем нагнетается в головку. Чаще всего используются различные модификации одно- и двухчервячных экструдеров.  
Иногда при переработки пластмасс применяются бесшнековые, или дисковые, экструдеры, в которых рабочим органом, продавливающим расплав в головку, является диск особой формы. Дисковые экструдеры применяются, когда необходимо получить улучшенное смешение компонентов смеси. Из-за невозможности развивать высокое давление формования такие экструдеры применяются для получения изделий с относительно невысокими механическими характеристиками и небольшой точностью геометрических размеров.  
Комбинированные экструдеры имеют в качестве рабочего органа устройство, сочетающее шнековую и дисковую части, и называются червячно-дисковыми. Применяются для обеспечения хорошего смесительного эффекта, особенно при переработке композитов. На них перерабатываются расплавы пластмасс, имеющие низкую вязкость и достаточно высокую эластичность.

Процессы, происходящие при экструзии.

 
Рис. 7. Схема одношнекового экструдера: 1- бункер; 2- шнек; 3- цилиндр; 4- полость для циркуляции воды; 5- нагреватель; 6- решетка с сетками; 7- формующая головка.

Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения  материала вращающимся шнеком в его зонах (см. рис. 7): питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III), а затем продвижения расплава в каналах формующей головки.

Зона питания (I). Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняются. Продвижение гранул осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. При оптимальной температуре процесса полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку (см. рис. 8). Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления и т. д.

 
Рис. 8. Схема плавления пробки материала в зоне II в межвитковом сечении шнека: 1- стенки цилиндра; 2- гребень шнека; 3- потоки расплава полимера; 4- спрессованный твердый полимер (пробка) в экструдере.

Зона пластикации  и плавления (II). В начале зоны II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, происходит плавление полимера.

В зоне пластикации  пробка плавится также и под действием тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в материале в тонком слое расплава (поз. 3 на рис. 8), где происходят интенсивные сдвиговые деформации. Последнее обстоятельство приводит к выраженному смесительному эффекту. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композиционного материала перемешиваются.

Конец зоны II характеризуется  распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками  твердых частиц попадает в зону дозирования.

Основной подъем давления P расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II- плавящийся. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Также увеличение давления происходит за счет уменьшения глубины нарезки шнека. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия.

Зона дозирования (III). Продвижение гетерогенного материала (расплав, частички твердого полимера) продолжает сопровождаться выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части.

В межвитковом  пространстве расплав имеет ряд  потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Величина продольного (вдоль оси шнека) потока определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного - качество гомогенности полимера или смешения компонентов.  
В свою очередь продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного и потока утечек.  
Прямой поток вызван движением шнека в направлении формующей головки. Обратный поток – это воображаемое течение, вызываемое высоким давлением со стороны головки; в реальности не существует. Поток утечки происходит при перетекании расплава между цилиндром и гребнем червяка.

Основные  параметры процесса экструзии. К технологическим параметрам относятся температура переработки полимера, давление расплава, температура зон головки и температурные режимы охлаждения сформованного экструдата.

При слишком  высокой вязкости расплава получать изделия методом экструзии трудно из-за большого сопротивления течению  расплава, возникновения неустойчивого  режима движения потока. Все это  приводит к образованию дефектов изделий.  
Повышение температуры переработки может привести к термодеструкции расплава, а увеличение давления, мощности привода при более низких температурах - к механодеструкции, т.е. для экструзии расплавов должны применяться полимеры с довольно узким интервалом колебания вязкости.

Изделия. Все изделия, получаемые на основе термопластов методом экструзии, могут иметь в принципе неограниченную длину. Поперечник изделий ограничивается главным образом диаметром шнека экструдера. Чем больше D, тем шире, толще могут получаться изделия.

С. Экструзионно-выдувное формование.

Полые и объемные изделия из термопластов - канистры, бочки, бутыли, флаконы,игрушки и  т. п. – чаще всего получают методом  раздувного формования. Производство изделий этим методом осуществляется в две стадии: сначала получают трубную заготовку с температурой несколько ниже температуры плавления, которую затем раздувают сжатым воздухом. В основе этой технологии лежит использование не только пластической, но и преимущественно высокоэластической деформации. 
В зависимости от выбранного способа получения заготовки различают два метода раздувного формования: экструзионный и литьевой.  
Экструзионный метод раздувного формования: с помощью экструдера формуется заготовка в виде трубки (рукава), которая затем поступает в форму, в которой происходит процесс формования изделия за счет создания внутри заготовки повышенного давления воздуха.  
Благодаря большой производительности и высокому уровню автоматизации этот метод является в настоящее время основным способом формования полых изделий и, в результате ряда усовершенствований, позволяет получать изделия объёмом от единиц миллилитров до нескольких десятков и даже сотен литров.  
Технологический процесс получения изделий методом экструзионно-выдувного формования складывается из следующих операций:

• гомогенизация расплава и выдавливание рукавной заготовки;
• раздув заготовки в форме и формование изделия;
• охлаждения изделия и его удаление из формы;
• окончательная обработка готовых изделий.

Расплавленный и гомогенизированный в экструдере материал выдавливается из головки вниз в виде трубчатой заготовки, которая попадает в открытую к этому моменту форму. После того, как длина заготовки достигнет необходимой величины, полуформы смыкаются, зажимая нижний и верхний края заготовки своими бортами. При этом происходит сварка нижнего конца заготовки и оформление отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После смыкания формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, под действием которого размягченный материал рукава принимает конфигурацию внутренней полости формы.  
Формование заготовки является важнейшей операцией, которая во многом определяет свойства и качества готового изделия. Поступающий в мундштук расплав должен быть гомогенным, иметь постоянную температуру по всему периметру заготовки и выдавливаться равномерно (без пульсации).  
В зависимости от конструкции изделия и формующего инструмента подача сжатого воздуха для формования изделия может производиться через дорн (сверху), через специальный ниппель (снизу) или через полую иглу (рис. 9). Последний способ применяется главным образом при производстве замкнутых изделий (без отверстия), так как формующее отверстие в этом случае очень мало и затягивается после удаления иглы разогретым материалом. 

Рис. 9. Варианты подачи сжатого воздуха сверху (I), снизу (II), через дутьевую иглу (III):  
а - смыкание полуформы; б - раздувание заготовки и охлаждение изделия; в - размыкание форм и съем изделия.

Стадия раздува  заготовки начинается после смыкания полуформ и защемления части контура  будущего изделия пресс-кантами формы; одновременно трубчатая заготовка отделяется от формующей головки. Раздув заготовки первоначально носит «свободный» характер - изменение толщины происходит достаточно равномерно, и раздуваемый рукав имеет форму «пузыря». Затем расширяющая заготовка соприкасается с формой и охлаждается.  
Стадия охлаждения начинается с момента контакта заготовки с поверхностью охлаждаемой формы и заканчивается после охлаждения наиболее толстых участков изделия, примыкающих к горловине или днищу. Преждевременное извлечение изделий сопровождается размягчением соседних с горловиной участков и их необратимым деформированием. После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т. п.).  
 
 
Производство изделий методом экструзии с раздувом сопровождается образованием значительного количества отходов (до 35 %). Большая их часть вполне пригодна для повторной переработки на тех же установках после перевода их в гранулы. При этом количество добавляемых к свежему сырью отходов не должно превышать 30 - 40%.