ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: Технологический процесс

Тема: Технологические процессы производства изделий из поливинилхлорида

Введение

В данной курсовой работе будут рассмотрены технологические процессы производства изделий из поливинилхлорида.

Поливинилхлорид -- один из наиболее распространённых пластиков; из него получают свыше 3000 видов материалов и изделий, используемых для разнообразных целей в электротехнической, лёгкой, пищевой промышленности, тяжёлом машиностроении, судостроении, сельском хозяйстве, медицине, в производстве стройматериалов.

Поливинилхлорид перерабатывают всеми известными методами переработки пластмасс. В данной курсовой работе будут рассмотрены некоторые из них, такие например как: каландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия, пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание, армирование.

Целями данной работы являются:

1. Изучение химических и физических свойств и способов получения поливинилхлорида;

2. Рассмотрение разновидностей ПВХ и их применение;

3. Ознакомление с различными технологиями переработки поливинилхлорида;

4. Рассмотрение технологического процесса производства изделий их ПВХ.

1. Поливинилхлорид, его виды и свойства

Поливинилхлорид (ПВХ, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик и др.), преимущественно линейный термопластичный полимер винилхлорида, формула [-CH₂-CHCl-]n. Пластик белого цвета, молекулярная масса 6000--160 000, степень кристалличности 10--35%, плотность 1,35--1,43 г/см³ (20°С); физиологически безвреден. Поливинилхлорид достаточно прочен (при растяжении 40--60 Мн/м², или 400--600 кгс/см², при изгибе 80--120 Мн/м², или 800--1200 кгс/см²), обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Он ограниченно растворим в кетонах, сложных эфирах, хлорированных углеводородах; устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, промышленных газов (например, NO₂, Cl₂, Cl₃, HF), бензина, керосина, жиров, спиртов; совмещается со многими пластификаторами (например, фталатами, фосфатами, себацинатами); стоек к окислению и практически негорюч. Поливинилхлорид обладает невысокой теплостойкостью (по Мартенсу, 50--80 °С); при нагревании выше 100 °C заметно разлагается с выделением HCl, вследствие чего может приобретать окраску (от желтоватой до чёрной); разложение ускоряется в присутствии O₂, HCl.

В 1912 году Фриц Клатте открыл основные принципы промышленного производства поливинилхлорида (ПВХ). Массовое производство пластмасс на основе поливинилхлорида началось только в 1938 году. Открытие этого продукта обусловило появление целой новой отрасли промышленности - индустрии полимеров и всех связанных с ними технологий. Получают ПВХ полимеризацией винилхлорида. Скорость процесса в растворе подчиняется кинетическому уравнению для гомогенной радикальной полимеризации. Однако поскольку поливинилхлорид не растворяется в воде, полимеризация в массе мономера, а также в водной среде носит гетерофазный характер. Из-за низкой подвижности макрорадикалов в твердой фазе затруднено их взаимодействие и, следовательно, мала скорость обрыва полимерной цепи; в то же время константы скорости инициирования и роста цепи остаются такими же, как в гомогенной среде. Поэтому с увеличением кол-ва ПВХ возрастает и общая скорость полимеризации (автокаталитический процесс). Скорость реакции увеличивается до степени превращения мономера 60-70%, затем начинает уменьшаться из-за его исчерпания. Тепловой эффект реакции 92,18 кДж/моль. Степень полимеризации в значит, мере зависит от температуры, что объясняется склонностью винилхлорида к реакции передачи цепи. Температура полимеризации оказывает некоторое влияние и на степень кристалличности поливинилхлорида. При температурах от -10 до 20 ⁰C получают поливинилхлорид с повышенной синдиотактичностью.

Промышленное произдство ПВХ осуществляют тремя способами:

1) суспензионная полимеризация по периодической схеме. Винилхлорид, содержащий 0,02-0,05% по массе инициатора (напр., ацилпероксиды, диазосоединения), интенсивно перемешивают в водной среде, содержащей 0,02-0,05% по массе защитного коллоида (напр., метилгидроксипропилцеллюлоза, поливиниловый спирт). Смесь нагревают до 45-65 ⁰C (в зависимости от требуемой молекулярной массы ПВХ) и заданную температуруру поддерживают в узких пределах с целью получения однородного по молекулярной массе ПВХ. Полимеризация протекает в каплях винилхлорида, в ходе ее происходит некоторая агрегация частиц; в результате получают пористые гранулы ПВХ размером 100-300 мкм. После падения давления в реакторе удаляют непрореагированный мономер, ПВХ отфильтровывают, сушат в токе горячего воздуха, просеивают через сита и расфасовывают. Полимеризацию проводят в реакторах большого объема (до 200 м³); новые производства полностью автоматизированы. Преимущества способа: высокая производительность, относит. чистота ПВХ, хорошая совмещаемость его с компонентами при переработке.

2) Полимеризация в массе по периодической схеме в две ступени. На первой винилхлорид, содержащий 0,02-0,05% по массе инициатора, полимеризуют при интенсивном перемешивании до степени превращения около 10%. Получают тонкую взвесь частиц ("зародышей") ПВХ в мономере, которую переводят в реактор второй ступени; сюда же вводят дополнительные количества мономера и инициатора и продолжают полимеризацию при медленном перемешивании и заданной температуре до степени превращения винилхлорида около 80%. На второй ступени происходит дальнейший рост частиц ПВХ и их частичная агрегация (новых частиц не образуется). Получают пористые гранулы ПВХ с размерами 100-300 мкм в зависимости от температуры и скорости перемешивания на первой ступени. Незаполимеризовавшийся винилхлорид удаляют, ПВХ продувают азотом и просеивают. Порошок сыпуч и легко перерабатывается. Преимущества перед суспензионным способом: отсутствие стадий приготовления водной фазы, в результате уменьшаются капиталовложения, энергозатраты и расходы на обслуживание. Недостатки: затруднены отвод тепла реакцции и борьба с коркообразованием на стенках аппаратуры; образующийся ПВХ неоднороден по молекулярной массе, его термостойкость ниже, чем у ПВХ, полученного первым способом.

3) Эмульсионная полимеризация по периодической и непрерывной схеме. Используют растворимые в воде инициаторы (H₂O₂, персульфаты), в качестве эмульгаторов - ПАВ (напр., алкил- или арилсульфаты, сульфонаты). Радикалы зарождаются в водной фазе, содержащей до 0,5% по массе инициатора и до 3% эмульгатора; затем полимеризация продолжается в мицеллах эмульгатора. При непрерывной технологии в реактор поступают водная фаза и винилхлорид. Полимеризация идет при 45-60⁰C и слабом перемешивании. Образующийся 40-50%-ный латекс с размерами частиц поливинихлорида 0,03-0,5 мкм отводится из нижние части реактора, где нет перемешивания; степень превращения - 90-95%. При периодической технологии компоненты- (водная фаза, винилхлорид и обычно некоторое количество латекса от предыдущих операций, так называемый затравочный латекс, а также другие добавки) загружают в реактор и перемешивают во всем объеме. Полученный латекс после удаления винилхлорид сушат в распылительных камерах и порошок ПВХ просеивают. Хотя непрерывный процесс высокопроизводителен, преимущество часто отдается периодическому, ибо им можно получить ПВХ нужного гранулометрического состава (размеры частиц в пределах 0,5-2 мкм), что очень важно при его переработке. Эмульсионный поливинилхлорид значительно загрязнен вспомогательными веществами, вводимыми при полимеризации, поэтому из него изготовляют только пасты и пластизоли.

Способ полимеризации определяет основные свойства поливинилхлорида и области его применения. Так, поливинилхлорид, полученный в массе или суспензии, используется для производства жёстких, а также полумягких и мягких, т. е. пластифицированных, пластических масс, перерабатываемых прессованием, литьем под давлением, экструзией, каландрованием. Эмульсионный поливинилхлорид (пастообразующие сорта) применяют в производстве изделий (главным образом искусственной кожи и пенопластов) из пластизолей, органозолей и др.

Из ПВХ получают огромное количество изделий, которые используются в различных сферах жизни. Основной проблемой, связанной с использованием ПВХ, является сложность его утилизации - при сжигании образуются высокотоксичные хлорорганические соединения.

ПВХ является одним из самых ранних искусственных материалов, созданных учеными. Впервые он был получен в 1835 году. С 1912 года начались поиски возможностей промышленного выпуска ПВХ, а в 1931 году концерном "BASF" были выпущены первые тонны этого материала.
Поливинилхлорид относится к группе термопластов.

Чистый ПВХ - это порошок, который на 43% состоит из этилена (продукта нефтехимии) и на 57% из связанного хлора, получаемого из поваренной соли. Для производства листовых пластиков и оконного профиля в порошок добавляют стабилизаторы, пластификаторы, пигменты и вспомогательные добавки. ПВХ пластики обладают достаточной механической прочностью и влагостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, хорошей химической стойкостью: не растворяются в бензине и керосине, стойки к действию кислот и щелочей, имеют красивый внешний вид, легко подвергаются резке, формованию, сварке и склеиванию.

Поливинилхлорид предназначен для изготовления большого ассортимента изделий и материалов: мягких и жестких пленок и пластин, кабелей и проводов, труб, тары и упаковки, конструкционно - строительных материалов (оконных и дверных блоков, формованных деталей и профилей), линолеума, покрытий для пола, стен и крыш, гибких шлангов и профилей, пластизольных изделий, обуви, грампластинок, изделий для радио- и электронной промышленности.

Жесткий ПВХ.

Жесткие листовые пластики ПВХ в дополнение к вышеуказанным свойствам, имеют плотность 1,4 г/см3, гладкую поверхность (глянцевую или матовую), хорошую жесткость, хорошую ударостойкость, максимальную температуру эксплуатации 70°С-75°С, длительную устойчивость к воздействию окружающей среды. В зависимости от добавок, жесткие листовые пластики могут использоваться на улице (без изменения цвета и механических свойств) от 3 до 15 лет.

При отрицательных температурах ударная прочность ПВХ-пластиков снижается. Ровная поверхность листовых пластиков из жесткого ПВХ хорошо подходит для трафаретной печати и ламинирования. Жесткий ПВХ используется в строительстве для внутренней отделки стен и оконных откосов, изготовления пластиковых сэндвич-панелей. В промышленности жесткий ПВХ используется для изготовления корпусов оргтехники, емкостей и воздуховодов с хорошей химической стойкостью. В рекламе листы из жесткого ПВХ используются для изготовления выставочных стендов, формованных знаков и изделий.

Жесткий ПВХ является самозатухающим материалом.

Листы жесткого ПВХ легко пилить, фрезеровать и формовать без предварительной сушки.

Вспененный ПВХ.

Вспененные пластики ПВХ получили такое название из-за пористой внутренней структуры, которую специально получают при экструзионном производстве листов. Вспенивание пластика происходит на выходе из экструзионной головки, при этом по толщине листа получается мелкоячеистая структура, содержащая большой процент мельчайших замкнутых пузырьков воздуха. Поэтому, в дополнение к вышеуказанным свойствам листовых ПВХ-пластиков, вспененные листы обладают малой плотностью (0,6 г/см3, вместо 1,4 г/см3 у жестких листовых ПВХ) и хорошей теплоизоляцией. Эти листы также, как и жесткие пластики ПВХ, обладают хорошей влагостойкостью. При отрицательных температурах ударная прочность вспененных пластиков уменьшается. Цветные вспененные пластики ограниченно применяются при наружной эксплуатации, поскольку могут под воздействием УФ лучей изменить свой цвет. Вспененные ПВХ-пластики применяются в строительстве для облицовки стен, оконных откосов, перегородок. Очень широко вспененный ПВХ используется в наружной рекламе для изготовления объемных изделий, букв, щитов и выставочных стендов. Поверхность вспененных ПВХ-пластиков идеальна для нанесения красок, лаков и самоклеящихся пленок. Вспененные ПВХ-пластики легко обрабатываются и хорошо склеиваются. Возможна сварка и формовка.

Мягкий ПВХ.

Используется для изготовления накладок на ступени, гибких плинтусов, профилей для отделки мебели и стыковки линолеума. В последнее время особой популярностью у строителей пользуются гибкие плинтусы.

Они отличаются изящным «европейским» видом, простотой установки: достаточно приклеить плинтус к стене, гибкость материала позволяет придавать плинтусу любую форму. Активно стали применяться Российскими строителями пластиковые накладки на ступени. В отличии от металлических, накладки из ПВХ не скользят и не покрываются наледью на морозе. Для крепления мягких профилей используется контактный клей, чтобы профиль принял нужную форму, его нагревают до 70 градусов теплым воздухом.

Мягкий ПВХ не способен к диффузии, не подвержен старению и устойчив к любым погодным условиям.

2. Технология переработки поливинилхлорида

Тот факт, что ПВХ используют и самых различных формах, таких, как стержни, трубы, листы, пенопласты, а также как прессованные изделия, подразумевает наличие разнообразных способов переработки полимерных компаундов и конечные продукты.

Около 50 лет назад существовало очень ограниченное количество процессов переработки полимеров в конечные изделия. В настоящее время имеется множество процессов и методов, основными из них являются каландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия, пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание, армирование. О некоторых из них будет рассказано ниже.

2.1 Компаундирование

Полимеры в чистом виде, полученные с промышленных предприятий после их выделения и очистки, называются "первичными" полимерами или "первичными" смолами. Первичный поливинилхлорид является материалом рогоподобной фактуры и не может быть сформован без предварительного смягчения путем добавления пластификатора.

Большинство полимеров защищают от термической, окислительной и фотодеструкции введением в них подходящих стабилизаторов. Добавление в полимер красителей и пигментов перед формованием позволяет получить изделия самых различных цветов. Наполнители же в полимер обычно добавляют для придания им специальных свойств и уменьшения стоимости конечного продукта.

Процесс, включающий в себя введение таких ингредиентов, как пластификаторы, отвердители, стабилизаторы, наполнители, красители, в первичный полимер, называют "компаундированием".

Первичный поливинилхлорид обычно находится в виде сыпучих мелких порошков. Ингредиенты в виде мелкого порошка или жидкости смешивают с порошкообразным первичным полимером с использованием планетарных миксеров, V-смесителей, мешалок с ленточной винтовой лопастью, Z-миксеров или опрокидывателей. Смещение можно проводить или при комнатной, или при повышенной температуре, которая, однако, должна быть намного ниже температуры размягчения полимера.

2.2 Процесс формования

В процессе формования компаунд в виде порошка, чешуек или гранул помещают в пресс-форму и подвергают воздействию температуры и давления, в результате чего образуется конечный продукт. В процессе обработки получают изделия в виде простых форм, таких, как листы, стержни или трубы, используя штапелирование, штамповку, склейку и сварку.

2.3 Каландрование

Процесс каландрования обычно применяют для производства непрерывных пленок и листов. Основной частью аппарата (рис 1) для каландрования является комплект гладко отполированных металлических валков, вращающихся в противоположных направлениях, и устройство для точного регулирования зазора между ними. Зазор между валками определяет толщину каландрованного листа. Полимерный компаунд подается на горячие валки, а лист, поступающий с этих валков, охлаждается при прохождении через холодные валки. На последнем этапе листы сматываются в рулоны, как показано на рис. 1. Однако, если вместо листов требуется получить тонкие полимерные пленки, применяют серию валков с постепенно уменьшающимся зазором между ними.

При использовании в каландровочной машине профилированных валков можно получать тисненые листы различных рисунков. Различные декоративные эффекты, такие, как имитация под мрамор, могут быть достигнуты путем введения в каландр смеси компаундов различных цветов.

Технология обработки под мрамор обычно используется в производстве плиток для пола из поливинилхлорида.

Рис. 1. Схема аппарата для каландрования : 1 -- полимерный компаунд; 2 -- каландровочные валки: горячие (3) и холодный (4) ; 5 -- каландрованный лист; 6 -- направляющие валки; 7 -- сматывающее устрой-ство.

2.4.Ротационное литье

Полые изделия получают в процессе, называемом "ротационное литье". Компаунд термопластического материала в виде мелкого порошка помещают в полую форму. Используемый аппарат имеет специальное приспособление для одновременного вращения формы вокруг первичной и вторичной осей. Форму закрывают, нагревают и вращают. Это приводит к однородному распределению расплавленного пластика, но всей внутренней поверхности полой формы. Затем вращающуюся форму охлаждают холодной водой. При охлаждении расплавленный пластический материал, однородно распределенный по внутренней поверхности формы, затвердевает. Теперь форму можно открывать и вынуть конечное изделие.

Также в форму может быть загружена жидкая смесь термореактивного форполимера с отвердителем. Отверждение в этом случае будет происходить при вращении под действием повышенной температуры.

Ротационным литьем производят изделия из поливинилхлорида, такие, как галоши, полые шары или головы для кукол. Отверждение поливинилхлорида осуществляется путем физического гелеобразования между поливинилхлоридом и жидким пластификатором при температурах 150--200°С. Мелкие частицы поливинилхлорида однородно диспергированы в жидком пластификаторе вместе со стабилизаторами и красителями, образуя, таким образом, вещество со сравнительно низкой вязкостью. Этот пастообразный материал, называемый "пластизоль", загружают в форму и откачивают из нее воздух. Затем форму начинают вращать и нагревать до требуемой температуры, что приводит к гелеобразованию поли-винилхлорида. Толщина стенок образующегося продукта определяется временем гелеобразования. После достижения требуемой толщины стенок избыток пластизоля удаляется для проведения повторного цикла. Для окончательной гомогенизации смеси частиц поливинилхлорида с пластификатором гелеобразный продукт внутри формы нагревают. Конечный продукт вынимают из формы после его охлаждения струёй воды. Метод ротационного литья с использованием жидкого материала известен как метод "формования полых изделий заливкой и вращением формы".

2.5 Прямое прессование

Метод прямого прессования широко используется для производства изделии из термореактивных материалов. На рис.2 представлена типич-ная пресс-форма, используемая для прямого прессования.

Рис.2. Схематическое изображение пресс-формы, используемой в процессе прямого формования: 1 -- полость формы, наполненная термореактивным материалом; 2 -- направляющие шипы; 3 -- заусенец; 4 - сформованное изделие.

Форма состоит из двух частей -- верхней и нижней или из пуансона (позитивная форма) и матрицы (негативная форма). В нижней части пресс-формы имеется выемка, а в верхней -- выступ. Зазор между выступом верхней части и выемкой нижней части в закрытой пресс-форме и определяет конечный вид прессуемого изделия.

В процессе прямого прессования термореактивный материал подвергается однократному воздействию температуры и давления. Применение гидравлического пресса с нагреваемыми пластинами позволяет получить желаемый результат. Температура и давление при прессовании могут достигать 200°С и 70 кг/см² соответственно. Выемка пресс-формы полностью заполняется полимерным компаундом. Когда под давлением пресс-форма закрывается, материал внутри нее сдавливается и прессуется в требуемую форму. Избыточный материал вытесняется из пресс-формы в виде тонкой пленки, которую называют "заусенец". Под действием температуры прессуемая масса отвердевает. Для освобождения конечного продукта из пресс-формы охлаждения не требуется.

2.6 Литье под давлением

Наиболее удобным процессом для производства изделий из ПВХ является процесс литья под давлением. Несмотря на то что стоимость оборудования в этом процессе достаточно высока, его несомненным достоинством является высокая производительность. В этом процессе дозированное количество расплавленного термопластичного полимера впрыскивается под давлением в сравнительно холодную пресс-форму, где и происходит его затвердевание в виде конечного продукта.

Аппарат для литья под давлением изображен на рис.3.

Рис.3. Схематическое изображение процесса литья под давлением: 1 -- компаундированный пластический материал; 2 -- загрузочная воронка; 3 -- поршень; 4 -- электрический нагревательный элемент; 5 -- стационарная часть формы; 6 -- подвижная часть формы; 7 -- основной цилиндр; 8 - торпеда; 9 - размягченный пластический материал; 10 -- пресс-форма; 11 - изделие, сформованное методом литья под давлением.

Процесс состоит из подачи компаундированного пластического материала в виде гранул, таблеток или порошка из бункера через определенные промежутки времени в нагретый горизонтальный цилиндр, где и происходит его размягчение. Гидравлический поршень обеспечивает давление, необходимое для того, чтобы протолкнуть расплавленный материал по цилиндру в форму, расположенную на его конце. При движении полимерной массы вдоль горячей зоны цилиндра устройство, называемое "торпедой", способствует однородному распределению пластического материала по внутренним стенкам горячего цилиндра, обеспечивая, таким образом, равномерное распределение тепла по всему объему. Затем расплавленный пластический материал впрыскивают через литьевое отверстие в гнездо пресс-формы.

В простейшем виде пресс-форма представляет собой систему из двух частей: одна из частей движущаяся, другая -- стационарная (см. рис.3). Стационарная часть пресс-формы фиксируется на конце цилиндра, а под-вижная снимается и надевается на нее. При помощи специального меха-нического устройства пресс-форма плотно закрывается, и в это время происходит вспрыскивание расплавленного пластического материала под давлением 1500 кг/см². Закрывающее механическое устройство должно быть сделано таким образом, чтобы выдерживать высокие рабочие давления. Равномерное течение расплавленного материала во внутренних областях пресс-формы обеспечивается ее предварительным нагревом до определенной температуры. Обычно эта температура несколько ниже температуры размягчения прессуемого пластического материала. После заполнения формы расплавленным полимером ее охлаждают циркулирующей холодной водой, а затем открывают для извлечения готового изделия. Весь этот цикл может быть повторен многократно как в ручном, так и в автоматическом режиме.

2.7. Пневмоформование

Большое количество полых пластических изделий их ПВХ производят методом пневмоформования: канистры, мягкие бутылки для напитков и пр.

Пневмоформование ведет свое происхождение от стеклодувной промышленности. Схема этого процесса дана на рис.4.

Рис.4. Схематическая диаграмма, объясняющая стадии процесса пневмоформования: а -- заготовка, помещенная в открытую пресс-форму; б -- закрытая пресс-форма; в -- вдувание воздуха в пресс-форму; г -- открывание пресс-формы. 1 -- заготовка; 2 - игла для подачи воздуха; 3 - пресс-форма; 4 - воздух; 5 - изделие, изготовленное методом пневмоформования.

Горячую размягченную термопластичную трубку, называемую "заготовкой", помещают внутрь полой формы, состоящей из двух частей. Когда форма закрыта, обе ее половины зажимают один конец заготовки и иглу для подачи воздуха, расположенную на другом конце трубки. Под действием давления, подаваемого из компрессора через иглу, горячая заготовка раздувается как шар до плотного соприкосновения с относительно холодной внутренней поверхностью формы. Затем форму охлаждают, открывают и вынимают готовое твердое термопластичное изделие.

Заготовка для пневмоформования может быть получена методом литья под давлением или экструзии, и в зависимости от этого метод называют соответственно литьем под давлением с раздувкой или пневмоформованием с экструзией.

2.8 Экструзия

Расплавленный пластик при определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки экструдера, что и придает желаемый профиль экструдату. Схема простейшей экструзионной машины показана на рис.5.

В этой машине порошок или гранулы компаундированного пластического материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим обогревом для размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся шнек обеспечивает движение горячей пластической массы по цилиндру. Поскольку при движении полимерной массы между вращающимся шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к выделению тепла и, следовательно, к повышению температуры перерабатываемого полимера. В процессе этого движения от бункера к выходному отверстию головки экструдера пластическая масса переходит три четко разделенные зоны: зону загрузки (а), зону сжатия (б) и зону гомогенизации (в) (см. рис 5).

Рис 5. Схематическое изображение простейшей экструзионной машины: 1 -- загрузочная воронка; 2 - шнек; 3 - основной цилиндр; 4 -- нагревательные элементы; 5 -- выходное отверстие головки экструдера, а -- зона загрузки; б -- зона сжатия; в - зона гомогенизации.

Каждая из этих зон вносит свой вклад в процесс экструзии. Зона загрузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в зону сжатия, эта операция проходит без нагревания. В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление порошкообразной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем пастообразный расплавленный пластический материал поступает в зону гомогенизации, где и приобретает постоянную скорость течения, обусловленную винтовой нарезкой шнека. Под действием давления, создаваемого в этой части экструдера, расплав полимера подается на выходное отверстие головки экструдера и выходит из него с желаемым профилем. Из-за высокой вязкости некоторых полимеров иногда требуется наличие еще одной зоны, называемой рабочей, где полимер подвергается воздействию высоких сдвиговых нагрузок для повышения эффективности смешения. Экструдированный материал требуемого профиля выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура составляет от 125 до 350°С), и для сохранения формы требуется его быстрое охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через чан с холодной водой, и затверде-вает. Для охлаждения экструдата также применяют обдувку холодным воздухом и орошение холодной водой. Сформованный продукт в даль-нейшем или разрезается или сматывается в катушки.

Процесс экструзии используют для покрытия проволок и кабелей поливинилхлоридом.

2.9 Формование листовых термопластов

Формование листовых термопластов является чрезвычайно важным процессом для производства трехмерных изделий из поливинилхлорида.

Схема этого процесса такова. Термопластичный лист нагревают до температуры его размягчения. Затем пуансон впрессовывает горячий гибкий лист в матрицу металлической пресс-формы (рис.6), при этом лист принимает определенную форму. При охлаждении сформованное изделие затвердевает и извлекается из пресс-формы.

В модифицированном методе под действием вакуума горячий лист засасывается в полость матрицы и принимает требуемую форму (рис. 7). Этот метод называется методом вакуумного формования.

Рис. 6. Схема процесса формования листовых термопластов: 1 -- лист термопластического материала; 2 -- зажим; 3 -- пуансон; 4 -- размягченный нагревом лист; 5 -- матрица; 6 -- изделие, полученное методом формования листовых термопдастов.

Рис.7. Схема процесса вакуумного формования термопластов: 1 -- зажим; 2 -- лист термопласта; 3 -- пресс-форма; 4 -- изделие, полученное методом вакуумного формования термопластов.

2.10 Вспенивание

Вспенивание является простым методом получения пено- и губкообразных материалов. Особые свойства этого класса материалов -- амортизирующая способность, легкий вес, низкая теплопроводность - делают их весьма привлекательными для использования в различных целях. Вспененная структура состоит из изолированных (закрытых) или взаимопроникающих (открытых) пустот. В первом случае, когда пустоты закрыты, они могут заключать в себе газы. Оба тина структур схематически представлены на рис.8.

Рис.8. Схематическое изображение ячеистых структур открытого и закрытого типов, образующихся в процессе вспенивания: 1- дискретные (закрытые) ячейки; 2 -- взаимопроникающие (открытые) ячейки;3 -- стенки ячеек.

Существует несколько методов для производства вспененных или ячеистых пластиков. Один из них заключается в том, что через расплавленный компаунд продувают воздух или азот до его полного вспенивания. Процесс вспенивания облегчается при добавлении поверхностно-активных агентов. По достижении требуемой степени вспенивания матрицу охлаждают до комнатной температуры. В этом случае термопластичный материал затвердевает во вспененном состоянии. Термореактивные жидкие форполимеры могут быть вспенены в холодном состоянии, а затем нагреты до полного их отверждения. Обычно вспенивание достигается добавлением в полимерную массу пено- или газообразователей. Такими агентами являются низкомолекулярные растворители или определенные химические соединения. Процесс кипения таких растворителей, как н-пентан и н-гексан, при температурах отверждения полимерных материалов сопровождается интенсивным процессом парообразования. С другой стороны, некоторые химические соединения при этих температурах могут разлагаться с выделением инертных газов. Так, азобис-изобутиронитрил термически разлагается, освобождая при этом большой объем азота.

Итак, большое количество паров или газов, выделяемых пено- и газообразователями, приводит к вспениванию полимерной матрицы. Полимерную матрицу во вспененном состоянии охлаждают до температур ниже температуры размягчения полимера (в случае термопластичных материалов) или подвергают реакции отверждения или сшивания (в случае термореактивных материалов), в результате матрица приобретает жесткость, необходимую для сохранения вспененной структуры. Этот процесс называется процессом "стабилизации пены". Если матрицу не охлаждать ниже температуры размягчения или не сшивать, наполняющие ее газы покидают систему пор и пена коллапсирует.

Пенопласты могут быть получены в гибкой, жесткой и полужесткой формах. Для того чтобы получить изделия из пенопласта напрямую, вспенивание следует проводить непосредственно внутри пресс-формы. Пенопластовые листы и стержни также могут быть использованы для производства различных изделий. Плотность пенопластов может составлять от 20 до 1000 кг/см³. Использование пенопластов весьма многообразно. Например, автомобильная промышленность использует большие количества пенопластов из ПВХ для обивки. Большую роль эти материалы играют и при изготовлении мебели. Жесткие полистирольные пенопласты широко используются для упаковки и теплоизоляции зданий.

2.11. Армирование.

При армировании пластической матрицы высокопрочным волокном получают системы, называемые "армированные волокном пластики" (АВП). АВП обладают весьма ценными свойствами: их отличает высокое отношение прочности к весу, значительная коррозионная стойкость и простота изготовления. Методом армирования волокнами удается получать широкий круг изделий. Красивый внешний вид, небольшой вес и коррозионная стойкость позволяют использовать АВП для обшивки морских судов. Кроме того, АВП используют даже в качестве материала для танков, в которых хранят кислоты.

Остановимся теперь подробнее на химическом составе и физической природе этих необычных материалов. Как было отмечено выше, они представляют собой полимерный материал, специальные свойства которого обусловлены введением в него армирующих волокон. Основными материалами, из которых изготовляют армирующие волокна (как мелко нарезанные, так и длинные), являются стекло, графит, алюминий, углерод, бор и бериллий. Самые последние достижения в этой области связаны с использованием в качестве армирующих волокон полностью ароматического полиамида, что обеспечивает более чем 50%-ное уменьшение веса по сравнению с армированными пластиками на основе традиционных волокон. Для армирования также используются и натуральные волокна, такие, как сисал, асбест и пр. Выбор армирующего волокна прежде всего определяется требованиями, предъявляемыми к конечному продукту. Однако стеклянные волокна остаются и по сей день широко используемыми и до сих пор вносят основной вклад в промышленное производство АВП. Наиболее привлекательными свойствами стеклянных волокон являются низкий коэффициент термического расширения, высокая стабильность размеров, низкая стоимость производства, высокая прочность при растяжении, низкая диэлектрическая константа, негорючесть и химическая стойкость. Другие армирующие волокна используют в основном в тех случаях, когда требуются некоторые дополнительные свойства для эксплуатации АВП в специфических условиях, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению со стеклянными волокнами.

Рис.9. Схематическое изображение метода наслоения листов вручную:1 - чередующиеся слои полимера и стеклоткани; 2 - пресс-форма; 3 - прокаты-вающий ролик.

Рис 10. Схематическое изображение метода наматывания волокна:1- подающая катушка; 2 - непрерывная нить; 3 - узел для пропитки волокна и отжима смолы; 4 - сердечник; 5 - пропитанные смолой волокна, намотанные на сердечник.

АВП получают путем связывания волокон с полимерной матрицей и ее последующего отверждения под действием давления и температуры. Армирующие добавки могут быть в виде мелко порезанных волокон, длинных нитей и тканей.

В настоящее время существует несколько методов армирования пластикой. Наиболее часто используемыми из них являются: 1) метод наслоения листов вручную (рис.9), 2) метод наматывания волокна (рис.10) и 3) метод пропитки распылением (рис.11).

Метод наслоения листов вручную.

Качество конечного продукта в данном методе определяется умением и мастерством оператора. Весь процесс состоит из следующих стадий. Вначале форму покрывают тонким слоем адгезионной смазки на основе поливинилового спирта, силиконового масла или парафина. Это делается для предотвращения прилипания конечного изделия к форме. Затем форму покрывают слоем полимера, поверх которого кладут стеклоткань или мат. Эту стеклоткань, в свою очередь, покрывают другим слоем полимера. Все это для однородного прижимания стеклоткани к полимеру и удаления пузырьков воздуха плотно прокатывают роликами. Количество чередующихся слоев полимера и стеклоткани определяет толщину образца (рис.9). Затем при комнатной или повышенной температуре происходит отверждение системы. После отверждения армированный пластик снимают с формы и проводят зачистку и окончательную отделку. Этим методом получают листы, части автомобильного кузова, корпуса для судов, трубы и даже фрагменты зданий.

Метод наматывания волокна.

Этот метод очень широко используется для производства таких армированных пластических изделий, как цилиндры, выдерживающие высокие давления, цистерны для хранения химических веществ и корпуса моторов ракет. Он состоит в том, что непрерывную мононить, волокно, пучок волокон или тканую ленту пропускают через ванную со смолой и отвердителем. По мере выхода волокна из ванны избыток смолы отжимается. Пропитанные смолой волокна или ленту затем наматывают на сердечник требуемой формы и отверждают под действием температуры. Наматывающая машина (рис.10) сконструирована так, чтобы волокна могли наматываться на сердечник определенным образом. Натяжение волокна и способ его наматывания очень важны с точки зрения конечных деформационных свойств готового изделия.

Метод опрыскивания.

В этом методе используют пульверизатор с многоручьевой головкой. Струи смолы, отвердителя и нарезанного волокна одновременно подаются из пульверизатора на поверхность формы (рис.11), где они образуют слой определенной толщины.

Рис.11. Схематическое изображение метода опрыскивания: 1 -- форма; 2 -- распыленная смесь нарезанного волокна и смолы; 3 -- струя нарезанного волокна; 4 -- непрерывное волокно; 5-- смола; 6-- отвердитель; 7 -- узел для нарезания волокна и распыления; 8 -- струя смолы.

Нарезанное волокно определенной длины получают непрерывной подачей волокон в измельчающую головку аппарата. После достижения требуемой толщины полимерную массу при нагревании отверждают. Распыление является экспресс-методом для покрытия больших поверхностей. Многие современные пластические изделия, такие, как грузовые платформы, резервуары для хранения, кузовы грузовиков и корпуса кораблей, получают именно этим методом.

3.Технологический процесс производства ПВХ профилей

В данном разделе курсовой работы будет рассмотрен технологический процесс производства профилей из поливинилхлорида экструзионным методом. Он является одним из самых дешевых методов производства широко распространенных пластических изделий, таких, как пленки, во-локна, трубы, листы, стержни, шланги и ремни.

3.1 Экструзия профилей ПВХ

Экструзия (от лат. "extudee" - выдавливать) это непрерывный производственный процесс для получения полуфабрикатов из термопластичных порошков и гранул.

Рис.12. Схематическое изображение экструзионной машины.

Хотя принцип кажется простым, все стадии процесса экструзии и связанные с ними установки должны быть тщательно скоординированы, чтобы обеспечить долгосрочное получение качественного материала. Через воронку экструдера компаунд поступает в подогретый цилиндр. В этом цилиндре вращающийся шнек не только перемешивает массу до однородного пластичного состояния, но и доставляет ее к фильеру, пройдя через который масса принимает форму желаемого профиля. В формовочной матрице, или калибре, масса путем охлаждения и вакуумной формовки твердеет и «калибрируется». Таким образом, профиль доводится до своей окончательной формы. Далее экструдированный профиль распиливается на части необходимой длины для дальнейшей обработки.

Производство жесткого пенопласта или микропористого ПВХ происходит по принципу ко-экструзии. Это означает, что в том же самом технологическом процессе экструзии подвергаются сразу 2 материала, образующие впоследствии единое целое. Основа экструдированных профилей состоит из непластифицированного твердого ПВХ с добавлением пенообразующего средства. Верхний слой, благодаря ко-экструзии соединившийся с сердцевиной, состоит из непластифицированного высокопротивоударного ПВХ без добавления пенообразующего агента. Как результат мы получаем монолитный профиль.

Минимальный набор оборудования для экструзии ПВХ представляет собой:

1. Смеситель для смешения ПВХ и адитивов;

2. Экструзионная линия с 4 экструзионными инструментами;

3. Установка охлаждения воды и компрессор.

3.2. Сырье для экструзии профилей.

Исходное сырье ПВХ получают в виде мелкого белого порошка. Для того, чтобы его переработать в изделие с определенными эксплуатационными качествами, по технологии экструзии к порошку ПВХ добавляются аддитивы: стабилизаторы, смазки, наполнители, красители, модификаторы.

Стабилизаторы. Переработка ПВХ в готовые изделия производится при повышенных температурах (более 120 ⁰С). В этих условиях ПВХ деструктирует с выделением газообразного хлористого водорода. Для предотвращения этого процесса в рецептуру вводят стабилизаторы. В качестве стабилизаторов применяются неорганические и органические соединения свинца, кадмия, бария, олова, кальция и цинка.

Смазки. Смазки необходимы для нормального протекания процесса экструзии ПВХ. Внутренние смазки увеличивают текучесть ПВХ при переходе его в вязкотекучее состояние, а внешние предохраняют смесь от прилипания к горячим металлическим частям оборудования.

Краситель. Универсальным красящим пигментом с высокой разбеливающей способностью является двуокись титана. Именно этот пигмент придает белым профилям яркость и способствует максимальной атмосферостойкости профилей при наружном применении.

Наполнитель. В целях экономии ПВХ в рецептуру добавляется специально обработанный мел. Применение необработанного мела вызывает быстрый абразивный износ металлических частей дорогостоящего экструзионного оборудования.

Модификаторы. Модификаторы служат для придания готовым изделиям из ПВХ ударной прочности.

В настоящее время производители ПВХ профиля готовят смесь двумя способами:

· ПВХ смешивается с компаундом "все в одном", в состав которого входят все необходимые аддитивы для стабилизации и переработки.

· Производят смешение всех компонентов самостоятельно. Подбор рецептуры производится методом проб и ошибок и зависит от квалификации химиков-технологов.

По технологии экструзии, смешение всех компонентов рецептуры проводится в три этапа: смешение в горячем смесителе, смешение в холодном смесителе, выдержка смеси при температуре 15-30 ⁰С в течение 24 часов. Подготовленная таким образом смесь подается в экструдер.

Подготовленная смесь ПВХ подается в материальный цилиндр экструдера, захватывается шнеком и продвигается по зонам, температура обогрева которых повышается от 150-170 ⁰C на входе до 190-210 ⁰C на фильере.

3.3 Технологическая линия по производству профилей

В качестве примера производственной линии (рис.13) взята технологическая линия предназначена для производства профилей и панелей ПВХ шириной до 110 мм.

Рис.13. Производственная линия изготовления ПВХ профилей.

Состав линии:

1. Бункер загрузочный.

2. Экструдер ЭПК 45х25.

3. Стол калибровочный.

4. Устройство тянущее.

5. Устройство отрезное.

6. Устройство приемное.

1. Бункер загрузочный.

Бункер изготовлен из нержавеющей стали, устанавливается на экструдер. Имеет в составе смотровое окно, шибер-заслонку, выгрузную горловину. Объем засыпаемого сырья - 0,07 м.куб.

2. Экструдер ЭПК 45х25 (диаметр шнека 45 мм, отношение L/D =25).

Экструдер имеет оптимальную компоновку: на единой раме смонтированы специальный вертикальный редуктор со встроенным упорным подшипником и асинхронный электродвигатель, расположенный под цилиндром и соединенный с редуктором упругой муфтой. Шнек вставляется непосредственно в выходной вал редуктора. Электрошкаф с системой тепловой автоматики, приборами управления всей линией и пультом оператора на выносной поворотной стойке прикреплен так же к единой раме. Экструдер оснащен асинхронным электродвигателем 15 кВт в комплекте с частотным приводом.

Производительность по ПНД и ПП, кг/ч 45

Габариты экструдера:  

LxBxH, мм 1670х900х1200

Масса, кг 860

3. Стол калибровочный

Стол калибровочный имеет рабочую длину 2м и позволяет устанавливать на нем калибраторы для профилей шириной до 110 мм. Стол калибровочный оснащен вакуумным насосом, водяным насосом, мотор-редуктором продольного перемещения. Вертикальное и поперечное перемещение калибратора производится вручную с помощью ходовых винтов.

Габариты стола калибровочного

LxBxH, мм 2200х650х900

Масса, кг 200

4. Устройство тянущее.

Устройство тянущее имеет рабочую длину траковых цепей 1000 мм при ширине траков 120 мм и позволяет протягивать профили шириной до 110 мм. Привод траковых цепей от мотор-редуктора с частотным (векторным) регулированием скорости протягивания. Усилие прижатия траковых цепей регулируется пневматикой.

Максимальная скорость протягивания, м/мин 5

Габариты стола калибровочного:

LxBxH, мм 1700х700х1400

Масса, кг 300

5. Устройство отрезное.

Устройство отрезное предназначено для отрезания по сигналу пневмодатчика готового профиля в заданный размер. Рабочий орган - дисковая пила. Продольное (синхронно профилю) и поперечное движение каретки, а так же механизм зажима профиля имеют привод от пневмоцилиндров. Автоматический цикл осуществляется пневмораспределителями с пневматическим управлением по сигналам пневмодатчиков.

Габариты стола калибровочного:  

LxBxH, мм 1500х600х1100

Масса, кг 130

6. Устройство приемное.

Устройство приемное предназначено для сбрасывания готового профиля, отрезанного в заданный размер. Сброс производится автоматически по сигналу пневмодатчика.

Габариты стола калибровочного  

LxBxH, мм 4000х600х1100

Масса, кг 80

Скорость экструзии ПВХ профилей невелика, максимальной считается скорость 8 метров в минуту. Увеличение скорости экструзии может негативно влиять на качество профиля. При существенном увеличении скорости экструзии необходимо пересматривать рецептуру ПВХ- смеси и технологические параметры экструзии.

Список используемой литературы

1. А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. Общая химическая технология Издательство: ИКЦ "Академкнига", 2007г., 528 стр.

2. Соколов Р.С. Химическая технология: Учебное пособие для вузов: В 2 тт: Т. 1: Химическое производство в антропогеной деятельности; Основные вопросы химической технологии; Производство неорганических веществ - 368 с. М: Владос

3. Книга: Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки Автор: Потехин В.М. Издательство: Химиздат Кол-во страниц: 912 Год выхода: 2005

4. Б.Д. Березин Д.Б. Березин « Курс современной органической химии »М .: Высш. Шк.,2002.-768с.

5. Б.Н. Степаненко « Курс органической химии » (в двух частях) Часть 1. Учебник для вузов. Изд. 5-е. М.: « Высшая школа », 1980 г., 448 с. ил.

6. Потапов В. М., Татаринчик С. Н. « Органическая химия »: Учебник для техникумов.- 3-е изд., переработ.- М.: Химия, 1980.-464 с., ил.

7.http://www.poly-prom.ru/profiles