курсовая по экструдеру. Курсовая работа технология переработки из расплавов аморфных и кристаллизующихся веществ
 Скачать 171.07 Kb.
|
|
КУРСОВАЯ РАБОТА ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗ РАСПЛАВОВ АМОРФНЫХ И КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ ВЕЩЕСТВ Оглавление Введение 3 1. Классификация термопластичных материалов 4 1.1 Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам 4 1.2 Классификация термопластов по объему производства 5 1.3 Классификация термопластов по химической структуре 5 2. Технология экструзии полимеров 13 2.1 Типы и устройство экструдеров 13 2.2 Поведение полимера при экструзии 16 2.3 Основные параметры процесса экструзии 18 3. Технологические параметры переработки (литья) термопластичных полимеров 19 3.1 Принципы качественного литья 20 3.1.1 Влияние конструкции изделия и пресс-формы на процесс уплотнения при литье термопластов 20 3.1.2 Процесс уплотнения для аморфных и кристаллизующихся материалов 21 3.2 Разновидности процесса литья 32 3.2.1 Литье тонкостенных изделий 32 3.2.2 Литье при низком давлении 38 3.2.3 Технологии литья термопластов с газом 40 Литература 50 Введение Промышленность пластмасс развивается сегодня исключительно высокими темпами. Начиная с 60-х годов, производство полимеров, основную долю которых составляют пластмассы, удваивается через каждые 5 лет, и эти темпы роста в соответствии с прогнозом на период до 1990 г. сохранятся. Характерным является опережающее развитие в промышленности пластмасс термопластичных материалов, составляющих в среднем около 70 % от общего количества производимых пластмасс. Современные тенденции создания малоотходной и безотходной технологии приводят к тому, что рост производства пластмасс неизбежно сопровождается совершенствованием технологических процессов, внедрением нового оборудования для синтеза и переработки. В области синтеза пластмасс преимущественное развитие получают процессы полимеризации в массе (получение полиэтилена, полистирола) по сравнению с водно-дисперсионными методами. Все интенсивнее внедряются непрерывные процессы с высоким уровнем автоматизации и механизации, вытесняя периодические процессы. Возрастают единичные мощности технологического оборудования (полимеризаторов, сушилок, экструдеров и др.) и совершенствуется их конструкция. Улучшается качество сырья, используемого в процессах синтеза и конфекционирования. [1] 1. Классификация термопластичных материалов К термопластичным материалам или термопластам относятся полимеры, которые при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в жидкое: высокоэластическое или вязкотекучее. При охлаждении материала происходит обратный переход в твердое состояние. Поведение при нагревании отличает термопласты от термореактивных материалов или реактопластов, которые отверждаются за счет химической реакции и не способны далее переходить в жидкое агрегатное состояние. 1.1 Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам Термопластичные материалы делят на несколько групп в зависимости от уровня эксплуатационных свойств. К таким свойствам прежде всего относится температура долговременной эксплуатации. Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации): - Материалы общетехнического назначения или общего назначения; - Пластмассы инженерно-технического назначения или конструкционные пластмассы; - Суперконструкционные или высокотермостойкие полимеры. Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения и инженерно-технического назначения. За рубежом классификации полимеров по уровню эксплуатационных свойств и их отнесение к той или другой группе материалов в настоящее время носит вспомогательный характер и используется лишь в целях упорядочения информации. Материалы специального назначения Иногда условно выделяют группу материалов специального назначения (специальные пластмассы, функциональные пластмассы). К ней относят материалы, обладающие особыми, иногда уникальными, свойствами. Эти свойства могут обеспечиваться особой химической структурой полимера или специальными наполнителями и добавками. Среди специальных добавок - электропроводящие добавки (антистатические, электропроводящие, ЭМИ-экранирующие материалы), антифрикционные добавки (материалы с пониженным коэффициентом трения), фрикционные добавки (материалы с повышенным коэффициентом трения) и др. [2 – 5] 1.2 Классификация термопластов по объему производства Нередко в литературе выделяют группу крупнотоннажных материалов, к которым относят полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), основные стирольные пластики (PS) и особенно АБС (ABS), акрилаты, ПВХ (PVC) и бутылочный ПЭТ (PET). 1.3 Классификация термопластов по химической структуре Классификация, основанная на химической структуре полимеров, включает множество аспектов. Остановимся только на тех вопросах и терминах, которые часто упоминаются в технологической литературе. Функциональные группы термопластов По химическому строению, определяемому наличием в структуре определенных функциональных групп, литьевые термопластичные материалы обычно подразделяют на несколько групп. Современная промышленность выпускает большое количество типов полиолефинов (PO), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (PE) и полипропиленов (PP). Многочисленные типы материалов представлены в группах стирольных пластиков (PS), полиамидов (PA), сложных полиэфиров. Традиционно выделяют группы полимеров на основе целлюлозы, фторполимеров или фторопластов. Акриловых полимеры или акрилаты (acrylic) обычно являются сополимерами. Изготовители этих материалов часто указывают только принадлежность материала к данной группе и не приводят данные о химической структуре сополимера. [6] Примечание: 1 - Карбонатная группа содержит сложноэфирную группу, поэтому обычно поликарбонаты относят к сложным полиэфирам. Гомополимеры. Сополимеры. Интерполимеры Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называют гомополимерами, из разных - сополимерами. По структуре сополимеры делят на несколько типов: - блок-сополимер - с регулярным чередованием последовательностей (блоков) звеньев в основной цепи; - статистический сополимер - с нерегулярным чередованием последовательностей звеньев; - привитой сополимер - имеет основную цепь в виде гомополимера или сополимера, к которой присоединены боковые цепи; - чередующийся или альтернатный сополимер - с регулярным чередованием звеньев в основной цепи. В последнее время большое развитие получили интерполимеры - сополимеры, образующие гомогенную структуру (компоненты не выделяются в отдельные фазы). Помимо двойных сополимеров, построенных из двух типов мономерных звеньев, выпускаются тройные сополимеры, состоящие из трех типов звеньев, а также сополимеры с четырьмя и большим количеством типов звеньев. Тройными сополимерами являются АБС-пластики (ABS), ACA-сополимер (ASA) и др. Стереоизомеры Для многих типов материалов (полипропилен, полистирол и др.) помимо химической формулы большое значение имеет стереоизомерия - тип пространственной конфигурации боковых групп атомов относительно полимерной цепи. Наиболее важные типы стереоизомеров: - изотактический - в схематичном изображении (например, в "проекции Фишера") боковые группы расположены "по одну сторону" условной плоскости полимерной цепи; - синдиотактический - в схематичном изображении боковые группы последовательно чередуются "по одну и другую сторону" условной плоскости полимерной цепи; - атактическиий - в схематичном изображении боковые группы располагаются беспорядочно "по одну и другую сторону" условной плоскости полимерной цепи. Реальная пространственная структура стереоизомеров является более сложной, из-за того, что макромолекула закручивается в спираль. Развитие технологии синтеза полимеров с одним центром полимеризации на металлоценовых и неметаллоценовых катализаторах позволило наладить в последние годы промышленный выпуск различных стереоизомеров. В качестве примера влияния стереоизомерии на эксплуатационные свойства материала можно привести синдиотактический полистирол (SPS), являющийся кристаллизующимся материалом с высокой термостойкостью, в отличие от обычного аморфного атактического полистирола. Классификация термопластов по способности к кристаллизации Термопластичные материалы делят на две группы в зависимости от способности к кристаллизации [7]: - Аморфные полимеры: ABS, GPPS, HIPS, PC, PES, PMMA, PPO, PVC и др. - Кристаллизующиеся полимеры: PA 6, PA 66, PBT, PE, PET, POM, PP, PPS и др. В кристаллизующихся полимерах при охлаждении расплава только часть полимера переходит в кристаллическое состояние, характеризующееся дальним порядком. Другая часть имеет аморфное состояние. Иногда выделяют группу частично кристаллизующихся полимеров, к которым относят полимеры со сравнительно небольшой степенью кристалличности (менее 80 или 60% по разным источникам). Способность к кристаллизации - очень важное свойство материалов, определяющее их эксплуатационные свойства и поведение при переработке. Оно обязательно должно учитываться при конструировании изделий и пресс-форм и выборе технологического режима литья. Кристаллизующиеся материалы имеют высокий уровень усадки и анизотропии усадки. Деление на аморфные и кристаллизующиеся полимеры является в некоторой степени условным и относится только к определенным условиям, т.к. способность к кристаллизации зависит от множества факторов. Полимеры, которые ведут себя в условиях литья под давлением, как аморфные, в других условиях могут кристаллизоваться. Например, аморфный поликарбонат кристаллизуется при сверхвысоких давлениях (500 МПа), при длительной выдержке (8 дней при 180 С) и под действием некоторых растворителей (например, ацетона). Особенности формования аморфных полимеров Аморфные полимеры при изготовлении из них расплава изделий переходят в твердое состояние без изменения фазового (аморфного) состояния. Параметром изменения надмолекулярной структуры полимеров является степень ориентации. Ориентация макромолекул связана со сдвигом материала под действием напряжений в процессе формования. В процессе течения высокоэластичная деформация достигает определенной величины, определяемой свойствами материала, режимами и условиями течения. Поэтому после заполнения формы она (высокоэластичная деформация) релаксирует (уменьшается). Но из-за охлаждения материала в прессформе (температура прессформы ниже температуры стеклования) уменьшается скорость релаксации. Уменьшение скорости и ограничение продолжительности релаксационного процесса приводит к остаточной (неполной) релаксации (сохраняющейся в деталях). Часть ориентированных полимерных цепей при этом остаются «замороженными» в неравновесных конформациях. Ориентация распределена в продольном и поперечном сечении детали неравномерно. В результате возможности релаксации в начальные моменты впуска материала в прессформу ориентация уменьшена (отсутствие давления и неполный контакт с прессформой). Далее при двухмерном течении (к стенкам прессформы и вглубь) по радиусу и длине ориентация неравномерна, а ее характер распределения определяет режим течения. Эксплуатационные свойства изделий из аморфных полимеров существенно зависят от степени ориентации в процессе формования: упорядоченная при ориентации структура полимера приводит к увеличению прочности в направлении течения и уменьшению прочности в направлении перпендикулярном течению материала, образованию внутренних напряжений. Это может приводить к растрескиванию изделий, образованию микротрещин (ухудшению оптических свойств, помутнению, появлению серебрения) особенно в местах спая встречных потоков материала, короблению, снижению размерной стабильности. Особенности формования кристаллизующихся полимеров При формовании изделия, расплав полимера кристаллизуется в результате теплопередачи его тепла более холодным стенкам прессформы. Скорость охлаждения в разных слоях различна: в слоях, касающихся прессформы - наибольшая, в средних слоях - наименьшая. Скорость охлаждения и напряжение сдвига существенно влияют на структурообразование. Выделяют две предельных скорости охлаждения Vпр и Vпр и два предельных напряжения сдвига пр и пр, которые условно разграничивают зависимость размеров и структурных образований на три участка. При охлаждении с высокими скоростями, больше Vпр, кристаллизация материала сопровождается только образованием зачатков кристаллитов и ламелярных образований; при охлаждении с низкими скоростями, ниже Vпр, в полимере формируются развитые сферолиты; при охлаждении с промежуточной скоростью, в пределах Vпр – Vпр, формируются промежуточные структурные образования, пропорционально скорости охлаждения. Охлаждение расплава полимера при низких напряжениях сдвига, меньше пр, практически не создает деформированных сферолитов, они симметричны; при деформировании с высокими напряжениями сдвига, выше пр, формируются сноповидные или стержневые образования (вытянутые в направлении течения); при промежуточных напряжениях сдвига в процессе формования (пр - пр) получают ориентированные сферолиты, степень ориентации зависит от напряжения сдвига. Формирование слоевой структуры проявляется из-за интенсивного охлаждения и больших сдвиговых напряжений, особенно при литье под давлением. Поэтому структура деталей сложная. В поперечном сечении детали выделяют три структурные области, формируемые в три основных периода процесса литья под давлением. Первая структурная область - поверхностная оболочка, образуется в период заполнения прессформы; вторая область - средний слой, формируется в период нарастания давления и выдержки под давлением; третья область - центральный слой, образуется в период спада давления. Поверхностная оболочка может состоять из трех слоев: первый слой - наружный - состоит из кристаллитов или ломелярных образований, она образуется при быстром охлаждении расплава и ориентации расплава при значительных напряжениях сдвига: слои материала в потоке поворачиваются и растягиваются - ориентируются; а при соприкосновении со стенками прессформы достигнутая ориентация фиксируется; средний слой - зона неразвитых сферолитов, которые либо слабо деформированы - ориентированы, либо недеформированы, так как эти слои охлаждаются со средними скоростями ( интервал Vпр – Vпр), причем сферолитные образования , проходящие с низкими напряжениями сдвига получают недеформированными, а при напряжениях сдвига пр > > пр получают несимметричные - ориентированные сферолиты; центральный слой возникает при заполнении прессформыс высокими напряжениями сдвига, более пр, здесь получают сноповидные сферолиты - ориентированное состояние. Средняя зона может состоять из двух слоев с различными размерами сферолитов: в наружном слое этой зоны, охлаждающемся со скоростью больше Vпр возникают неразвитые сферолиты, внутренние слои охлаждаются с меньшими скоростями, меньшими Vпр, и поэтому в ней возникают развитые сферолитные образования ( в это время, в период подпитки, низкие скорости течения и низкие напряжения сдвига). В случае литья материала в подогретую форму образуется одна зона, а скорость охлаждения в различных слоях зоны ниже предельной Vпр. Центральная зона может состоять также из двух зон. Эта зона образуется при охлаждении с низкими скоростями охлаждения и почти без сдвиговых напряжений, поэтому она состоит из развитых неориентированных сферолитов. Образование двух слоев определяют условия формования: наружный слой - без микропор, внутренний с микропорами; при охлаждении под давлением микропоры не возникают, при частичном охлаждении под давлением в незатвердевшем до снятия давления материале в результате усадки возникают микропоры. Механические свойства изделий из кристаллизующихся полимеров связаны со слоевой структурой. Зоны центральная и средняя по механическим свойствам мало отличаются. Поверхностная зона оказывает решающее значение на свойства изделия и ее учитывают в расчетах на работоспособность в зависимости от структуры. Влияние технологических параметров на слоевую структуру изделий Эти параметры влияют на структуру, размеры слоев и зон изделий из кристаллизирующихся полимеров и их свойства. Требуемую структуру с заданными размерами зон и слоев в зависимости от условий эксплуатации изделия можно получить путем выбора технологических параметров. Толщина поверхностной зоны зависит от температуры материала Т0 и прессформы Тф и времени ее заполнения. Увеличение Т0 и Тф уменьшает толщину этой зоны, а увеличение времени заполнения увеличивает ее. Толщина средней зоны также будет меньше при повышении Т0 и Тф и времени впуска; повышение давления Р и времени выдержки увеличивают толщину средней зоны. Толщина центральной зоны увеличивается с увеличением Т0 и Тф и практически не зависит от заполнения, давление оказывает незначительное влияние на нее. 2. Технология экструзии полимеров Экструзия – способ получения изделий или полуфабрикатов из полимерных материалов неограниченной длины путем выдавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру) нужного профиля. Экструзия, наряду с литьем пластмасс под давлением, является одним из самых популярных методов изготовления пластмассовых изделий. Экструзии подвергаются практически все основные типы полимерных материалов, как термопласты, таки и реактопласты, а также эластомеры. В основном для экструзии пластмасс применяют шнековые, или червячные, экструдеры. Также существуют дисковые экструдеры. Для успешного производства продукции методом экструзии недостаточно только одного экструдера. Кроме него необходимо иметь еще несколько единиц оборудования, вместе составляющих экструзионную линию. Кроме того, существуют выдувные экструдеры, которые применяются в установках по получению изделий методом экструзионно-выдувного формования. Их описание, не входит в данную статью. Практически не встречаются экструдеры с вертикальными шнеками. 2.1 Типы и устройство экструдеров 1. Червячные экструдеры подразделяются на одношнековые, двухшнековые и многошнековые. Наиболее простым оборудованием для экструзии является одношнековый (одночервячный) экструдер без зоны дегазации (рис. 1). Такие экструдеры широко применяются для производства пленок, листов, труб, профилей, в качестве одной из составных частей линий-грануляторов и т.д. Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, винтовой шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и адаптер. В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля с разным шагом и глубиной витков. В зависимости же от вида выпускаемого изделия применяют либо коротко-, либо длинношнековые машины, т. е. с малым или большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера. Типоразмерный ряд экструдеров, выпускавшихся в Советском Союзе был основан на диаметрах шнека: D = 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250 и 320 мм. |