Отчет по практике в НПП «МедИнж»

 

Виды пластических масс, перерабатываемых экструзией

Экструзией можно перерабатывать  как термопластичные полимеры (термопласты), так и пластические массы на основе термореактивных смол (реактопласты). Экструзия часто используется и в переработке эластичных материалов (каучуков, резин, эластомеров).

 Наиболее широко осуществляется  экструзия  полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), полистирола (ПС), поликарбоната (ПК), полиамида (ПА), поливинилхлорида (ПВХ) , полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

За рубежом Быстро развивается  экструзия высоконаполненных полимеров  и  различных композиционных материалов. В последние годы становится популярной экструзия биопластиков, получаемых на основе природных полимеров, например экструзия термопластичных древесно-полимерных композитов [2].

 

   Оборудование, применяемое для экструзии

В  процессе экструзии  нагнетание  материала в формующий инструмент (фильеру) осуществляется с помощью специальной машины, называемой экструдером. Наиболее часто в переработке пластмасс применяют шнековые (винтовые) экструдеры, именуемые также червячными прессами. Для переработки трудноформуемых малопластичных материалов используют поршневые (плунжерные) экструдеры. Существуют также  дисковые, барабанные и шестеренчатые экструдеры, но они не нашли широкого применения в промышленности.

Нагнетание материала - это  основная функция экструдера, но далеко не единственная.  Современные экструдеры позволяют эффективно смешивать различные материалы, тщательно их компаундировать,  производить сушку рабочей смеси, осуществлять химическую модификацию (химические реакции)  и т.д.

Как правило, оборудование  применяемое в экструзии выстраивается в виде автоматизированной технологической линии, состоящей из загрузочных и дозирующих устройств, экструдера с фильерой, калибрационно-охлаждающих устройств, тянущих машин, пильных агрегатов, укладывающих устройств. В состав  линии могут включаться также и некоторые другие виды оборудования и машин - оборудование для хранения и предварительной обработки материалов,  отделочные машины, маркировочное и упаковочное оборудование [2].

 

Устройство одношнекового  экструдера

В настоящее время  в переработке пластических масс наиболее широко используют одношнековые экструдеры (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема одношнекового экструдера (червячного пресса)

 
 Термопластичный материал из бункера 4  поступает в зону загрузки экструдера 5. Вращающийся шнек 6 увлекает и продвигает материал вдоль цилиндра.  За счет трения материала о стенки цилиндра и поверхность шнека, а также при помощи нагревателей 7 материал разогревается до температуры плавления полимера (~150-200 C), перемешивается и уплотняется. Высокое давление, возникающее в уплотненной зоне, позволяет продавить вязкий компаунд через фильеру 8. Выдавленный материал (экструдат) 9 выходит из фильеры.

Основные узлы экструдера монтируются на станине 1. Вращение шнека осуществляется при помощи электродвигателя 2 и трансмиссии 3. 
 Выдавленное изделие охлаждается и приобретает окончательные форму и размеры, например  в калибраторе. Стабилизировать и протянуть профиль через калибратор помогает тянущее устройство. 
 Шнеки современных экструдеров часто имеют сложную геометрическую форму и неравномерную нарезку, подбираемую специально под конкретный материал и режим работы. Одношнековые экструдеры могут иметь не только цилиндрическое, но и коническое исполнение шнека и гильзы. Конический шнек позволяет эффективнее осуществить перемешивание компаунда, быстрее поднять давление расплава и сделать машину более компактной и производительной.

По характеру протекающих  в канале экструдера процессов можно  условно разделить шнек на несколько  зон:

• зона питания цилиндра (транспортировка еще твердого материала),
• зона плавления полимера (пластикация смеси),
• зона дозирования (выдавливание расплава). 

Ключевую роль в механике движения материала внутри экструдера  во всех его фазах играют силы трения  материала и расплава  о стенки  цилиндра и шнека.  Процессы эти весьма сложные,  описываются системами дифференциальных уравнений, которые сегодня решаются при помощи математических компьютерных моделей.

Выходящий из фильеры расплавленный  горячий материал в физическом смысле представляет собой высоковязкую жидкость. Поэтому скорость его выхода  определяется давлением  расплава и сопротивлением его движению в фильере. На выходе из  фильеры скорости движения отдельных потоков расплава на выходе из фильеры должны быть одинаковы. Динамические свойства материала и его расплава определяются его физическим и химическим составом, а также температурой. Поэтому современные экструдеры снабжаются эффективными системами автоматического контроля  и  управления загрузкой компонентов, температурой, давлением расплава (скоростью вращения шнека).

Важнейшими свойствами материалов, влияющими на работу экструдера в  твердой фазе являются  насыпная плотность, сжимаемость, размеры и форма частиц, внутреннее и внешнее трение, склонность к агломерации, в расплавленном  состоянии - комплекса вязкостных характеристик.

В последние годы в экструзии  пластических масс и, особенно, композиционных материалов стали популярными двухшнековые машины. Для удаления попадающего в экструдер воздуха, паров влаги и др. летучих веществ газов, они снабжаются дегазационными отверстиями и, при необходимости, вакуумными насосами. Появляются и разнообразные многошнековые машины. В некоторых машинах с успехом могут перерабатываться не только твердые, но и жидкие компоненты, в т.ч. содержащие большое количество растворителей.

Достоинством двух- и многошнековых  экструдеров являются их превосходные смесительные свойства и возможность  устройства эффективной дегазации. В ходе взаимного однонаправленного  или встречного вращения шнеков (цилиндрических или конических) можно быстро достигнуть высокой степени гомогенизации  рабочей смеси.  

Поэтому они используются не только для экструзии труб, профильных изделий и пленок, но также в  качестве компаундирующих машин -  для получения компаундов и композиционных материалов в гранулированном виде.

На основе двухшнековых и  одношнековых машин иногда создаются  ступенчатые (тандемные) экструзионные установки, используемые в производстве композиционных материалов. В этом случае одношнековый экструдер  используется либо в начале процесса, либо в качестве выходной машины.

Внешне экструдер представляет собой не слишком сложную машину (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Одношнековый экструдер для переработки ДПКТ, Интервесп

Однако в конструкциях современных экструдеров имеется  много тонкостей и сложностей (выбор схемы машины, подбор  конструкционных материалов и комплектующих изделий, методы проектирования шнеков, методы обработки шнеков, цилиндров, фильер, разработка системы дегазации, методы нагрева и охлаждения элементов экструдера,  организация системы контроля и управления параметрами процесса и т.д. и т.п.). Репутация производителя экструдеров на мировом рынке оборудования завоевывается годами успешной работы [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Экструзия полимеров

 

 

Экструзия полимеров представляет собой определенную технологию их переработки  путем продавливания расплавленной  полимерной массы через формирующую  головку экструдера. Эта технология позволяет производить трубы, сайдинг, различные листы из полимерных материалов, пленки, шланги т.д. экструзия позволяет  осуществлять вторичную переработку  полимеров.

При экструзии полимеров  используется, как правило, червячный  экструдер, но иногда применяются дисковые или комбинированные экструдеры. Весь процесс получения изделия  таким способом включает в себя несколько  фаз и осуществляется в нескольких зонах оборудования [4].

 

Экструзия полимеров: технология

Сначала необходимо загрузить  сырье в так называемый “бункер”. Полимерный материал, подаваемый в  бункер, может быть в виде порошка, гранул, либо лент. Для наилучшей  производительности и получения  высококачественного материала, нужно  смотреть за равномерным поступлением начального сырья в экструдер.

На следующем этапе  экструзии полимеров сырье, поступающее  из бункера, попадает в зону питания, где оно подвергается уплотнению и сжатию. Это получается благодаря  нагреванию материала (при помощи трения и нагревателя).

За зоной нагревания находится  зона пластикации и плавления. Полученная на предыдущем этапе, методом уплотнения, пробка начинает расплавляться, что приводит к активному смешиванию полимеров и других композиционных материалов. На следующем этапе расплавленная масса попадает в зону дозирования.

Так как расплавленная  масса полимера все еще не однородна  и состоит из расплавленных и  твердых частиц, весь дальнейший процесс  экструзии происходит под воздействием тепла.

К следующему этапу расплавленный  пластик становится полностью гомогенным и готовым в выдавливанию через  ряд чистящих сеток и головку  экструдера в необходимую нам  форму.

В процессе экструзии полимеров  большое значение имеют ряд характеристик, которые позволяют производить  высококачественные изделия. Такие  как давление расплава, температура  в каждой зоне экструдера и другие.

Важность и значение этих характеристик велико. Несоблюдение хотя бы одного из параметров приведет к получению плохого материала  и, как результат, плохого изделия.

Экструзия полимеров позволяет  получать изделия самой различной  длины, ширины, толщины. Именно поэтому  экструзия является самым популярным методом производства труб, шлангов, профилей ПВХ, панелей ПВХ, пленки, сайдинга, полимерного покрытия для проводов и других изделий из полимеров [5].

В качестве примера полимерных изделий  можно привести полиэтиленовую пленку. Полиэтиленовая пленка - это универсальный материал, произведенный в основном, методом экструзии из полимерных материалов. В зависимости от толщины, полиэтиленовая пленка может использоваться в различных сегментах народного хозяйства: от пищевого назначения от хранения химических веществ. Полиэтиленовая пленка является лидером среди упаковочных материалов благодаря своим техническим характеристикам и низкой цене [6].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Плазменное травление полимеров

 

 

Модифицирование поверхностных свойств  материалов достигается изменением химического состава поверхностного слоя в результате химического взаимодействия, удалением поверхностного слоя (травление) или осаждением нового слоя из газовой  или жидкой фазы. Наиболее распространённым способом химического воздействия  на модифицируемую поверхность являются газофазные или жидкофазные окислительные  реакции. С начала 70-х годов XX в. начались интенсивные разработки плазмохимических методов модифицирования поверхностей материалов, в том числе таких  нетермостойких материалов, как синтетические  и природные полимеры. Используемая с этой целью газоразрядная плазма характеризуется низкой температурой газа, которая может быть близка к комнатной. Разработка источников такой «холодной» плазмы (cold plasma) шла  по двум путям. Использовались слаботочные  разряды атмосферного давления —  коронный и поверхностно-барьерный. Такие генераторы плазмы отличает простота устройства и эксплуатации, технологическое  удобство и относительная дешевизна. Бурное развитие с начала 70-х годов  микроэлектроники, в технологии которой  широко использовались вакуумные процессы, сопровождалось быстрым прогрессом вакуумно-плазменных методов обработки  материалов (давление газа около 150 Па и ниже). Эти методы и соответствующее  оборудование были применены затем  и для решения задач в других отраслях промышленности, включая текстильную  и лёгкую. К середине 80-х годов  существовало промышленное оборудование для плазмохимического модифицирования  полимерных материалов (изделий из пластмасс, полимерных плёнок, тканей) как в условиях атмосферного давления, так и в вакуумно-плазменных условиях. Однако промышленное применение этих методов далеко не соответствует их потенциальным возможностям [7]. 

Система плазма-раствор изучена  в гораздо меньшей степени, чем, например, система «холодная» плазма-полимер (рисунок 4.1) [8].

Рисунок 4.1 – Поверхность пленки ПВХ. Травление плазмой 20 минут. АСМ изображение. Полуконтактный режим. Топография 3D

При наличии многих общих свойств  первая характеризуется рядом особенностей, связанных с появлением пока ещё  мало изученной границы раздела  фаз раствор электролита (служащий электродом в газоразрядной цепи) — плазма. Особо следует подчеркнуть  влияние газового разряда на свойства раствора и прежде всего на его  структуру. Последняя означает, что  в ходе совокупного процесса будут  меняться свойства среды, где разворачиваются  его основные стадии, ввиду возможного изменения констант скоростей, констант равновесия и коэффициента переноса в жидкой фазе [7]. 

 

 

 

Заключение

 

 

Экструзия полимеров – это технология, посредством которой происходит процесс переработки полимера, в процессе которого, расплавленная полимерная масса продавливается через формирующую головку экструдера. Область применения этой технологии – широка. Она позволяет создавать профили, всевозможные трубы, листы, плиты, сайдинг, пленку, шланги, различные изделия строительного назначения, а так же позволяет производить вторичную переработку полимеров.

В настоящее время трудно даже перечислить  все отрасли, где полимеры благодаря  своим разнообразным и ценным свойствам нашли широкое применение. Это и машиностроение, и сельское хозяйство, и медицина, и текстильная  промышленность... Трубы, уплотнители, конвейерные ленты, различные профили, сальники, пленки, покрытия, приводные ремни ... Этот список можно было бы продолжать практически бесконечно.

К примеру, при ремонте автомобилей  использование полимеров намного  снижает трудоемкость работ, заменяя  сварку, наплавку, позволяя производить  ремонт сложных узлов машины без  предварительной их разборки. Наиболее широкое применение в этой сфере  получили анаэробные полимеры и композиционные материалы.

 

 

 

 

Список использованных источников

 

 

1. www.medeng.ru
2. http://c-a-m.narod.ru/wpc/extrusion.html
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F_(%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81)
4. http://www.poliolefins.ru/stat/polimer/674-yekstruziya-polimerov.html
5. http://stanco24.ru/ekstruziya-polimerov/  
6. http://mosoblsbit.ru/polietilen_plenka
7. http://www.knigoprovod.ru/?topic_id=23;book_id=4141
8. http://www.nanoscantech.com/ru/gallery/gallery-122.html