Предисловие. 
Технология переработки полимеров: изделия из полимерных листов и пленок. 
Часть 1

Первый опыт формования объемных изделий из листовых заготовок человечество получило много-много веков назад [ 1 ]. В Египте и Микронезии емкости для пищевых продуктов изготовлялись из пластин, вырезанных из панциря черепахи (кератина). Пластины при нагревании в горячем масле становились пластичными, и им придавалась необходимая форма. Еще одной предтечей современных методов формования можно считать метод формования коры деревьев (натуральной целлюлозы), который использовали американские индейцы и жители Микронезии. Пластины, сделанные из коры деревьев, нагревались в горячей воде и после придания им необходимой формы использовались при строительстве каноэ.

Началом появления современной технологии изготовления листовых и пленочных заготовок можно считать середину сороковых годов XIX в., когда впервые с коммерческими целями методом экструзии стали перерабатывать шеллак и гуттаперчу |2]. А в конце шестидесятых годов того же века был освоен промышленный способ изготовления целлулоида — первого крупнотоннажного термопласта, который почти сто лет широко использовался для производства изделий как промышленного, так и бытового назначения. Целлулоид выпускался в виде блоков, поэтому буквально через два года были созданы специальные гидравлические строгательные станки, с помощью которых из блоков целлулоида нарезались тонкие листы.

Именно это время можно считать временем рождения современного метода пневмовакуумного формования (термоформования), так как в 1870 г. двое американцев, Уэсли Хэйтт и Чарльз Бэроуз, провели первый эксперимент по термоформованию листов из целлулоида. Свернутые в трубку листы они поместили в цилиндрическую перфорированную форму, а затем стали нагнетать в нее пар. В результате нагрева целлулоида и разницы давления снаружи и внутри свитки стали принимать геометрические размеры внутренней поверхности формы. Кроме того, из полученных листов целлулоида практически сразу в металлических формах начали формовать трубы и желоба. Очень быстро целлулоид нашел применение и в производстве бытовых изделий — из него стали формовать сначала лица для кукол, погремушки, небольшие бутылки, а затем и множество других изделий.

Постепенно совершенствовалась технология формования. И к началу тридцатых годов XX в. термоформованием были получены изделия, к размерам которых предъявлялись повышенные требования. Так, например, методом термоформования в 1930 г. была изготовлена рельефная карта морского побережья США, и началось производство первых в истории пластмассовых бутылок. Правда, тогда бутылки изготовлялись из двух половинок, которые потом сваривались между собой. В 1933 г.

в массовом порядке формованием стали производить из ПВХ внутренние панели бытовых холодильников.

Впервые термоформование стало использоваться для производства упаковки в конце тридцатых годов XX в., когда была создана технология блистерной упаковки из целлюлозы.

Очередной толчок развитию метода формования дало промышленное производство листов из полиметилметакрилата (оргстекла). Первыми формованными изделиями из этого материала стали элементы остекления кабин различных типов самолетов. За ними последовало формование ветрозащитных стекол разнообразного назначения, например, для мотоциклов, стенок душевых кабин и т. д.

Начиная с середины тридцатых годов прошлого века в мире произошел бурный рост производства различных термопластичных материалов, и после окончания Второй мировой войны номенклатура листов и пленок, пригодных для их переработки термоформованием, существенно расширилась. Резко увеличилась и номенклатура формуемых изделий. В середине пятидесятых годов стала впервые осуществляться упаковка продукции в пленочные материалы. В 1960 г. в промышленности стали использоваться автоматические формовочные агрегаты, производящие пачки для сигарет и тару для хранения кубиков льда. Получило развитие двухстороннее формование, осуществляемое на полностью автоматизированных линиях.

В 1980 г. появилось холодное (твердофазное) формование изделий из полипропилена.

Как любая востребованная технология, методы термоформования продолжают постоянно совершенствоваться. Так, в самое последнее время при формовании различных упаковок вместо нанесения печатного рисунка все чаще используется технология /Л/?, при которой изготовленная заранее этикетка вставляется специальным роботом в формующий инструмент, а в момент формования заготовки этикетка прочно соединяется со стенкой изделия.

В Советском Союзе зарождение термоформования как промышленного метода производства изделий из пластмасс можно отнести к середине тридцатых годов прошлого века, когда из листов пол и. метил метакрилата методом свободного формования стали изготавливать элементы остекления кабин самолетов.

Однако настоящее развитие этот метод получил лишь в конце сороковых — начале пятидесятых годов. После окончания Великой Отечественной войны в нашу страну по репарации было поставлено очень большое количество гидравлических прессов для пластмасс из Германии. Этих прессов было гораздо больше, чем требовалось промышленности в то время для производства изделий из реактопластов. Многие из них остались невостребованными. В то же время в стране ощущался дефицит оборудования для производства изделий из термопластов.

В этих условиях всех заинтересовало предложение Константина Николаевича Стрельцова о модификации неиспользуемых прессов и производстве на них изделий, формуемых из листовых термопластов. В Стрельне (в то время пригороде Ленинграда) было организовано Особое опытное конструкторское бюро. В короткие сроки под руководством К. Н. Стрельцова была разработана и изготовлена принципиально новая технологическая оснастка, термошкафы для нагрева листовых заготовок, внесены изменения в систему управления прессами. Прессы были установлены на предприятиях по переработке пластмасс и хорошо себя зарекомендовали. Сам метод получил название «мсханопнсвмоформование» и многие годы широко использовался отечественной промышленностью. В начале семидесятых годов Оренбургский завод гидравлических прессов начал серийный выпуск прессов ДБ2430Д, предназначенный для механопневмоформования изделий из листовых пластмасс.

Перу К. Н. Стрельцова принадлежат две очень интересные книги (3,4], специально посвященные вопросам переработки листовых термопластов.

К началу шестидесятых годов на предприятиях стал ощущаться недостаток оборудования для вакуумного формования, и институту УкрНИИпластмаш (г. Киев) было поручено разработать ряд формовочных машин различного назначения (для рельефного декорирования пленки, для производства одноразовых стаканчиков и мелкой тары, для производства внутренних корпусов бытовых холодильников и т. д.). Задача была успешно решена, опытные образцы машин созданы на опытном заводе института и прошли длительную апробацию в условиях действующих предприятий по переработке пластмасс. Однако до серийного изготовления этих машин дело так и не дошло. Этому препятствовал договоре Венгрией, которая в соответствии с планами существовавшего в то время Совета Экономической Взаимопомощи поставляла в Советский Союз машины для термоформования.

В шестидесятых годах были опубликованы первые научные исследования отечественных специалистов в области термоформования. Наиболее интересными из них, как показало время, оказались методы расчета вакуумных систем формовочных машин, предложенные С. В. Реутовым [5], исследования Ю. В. Никитина (6], посвященные методике расчета нагрева листовых заготовок, работы в области формования изделий из ударопрочного полистирола, выполненные П. Я. Ивахненко [7], исследование разнотолщинности изделий, опубликованные А. А. Казачком [8).

В начале семидесятых годов в институте ВНИИРТМАШ (г. Тамбов) И. К. Гавриловым впервые была разработана технология производства изделий из листованных резиновых смесей методом формования водяным паром и вакуумом. А несколько позднее в этом же институте было разработано и выпущено оборудование для промышленного изготовления резинотехнических изделий этим методом.

Сразу после стагнации промышленности в начале 1990;х гг. в нашей стране резко выросла потребность в различной полимерной таре и упаковке, что привело к резкому спросу на формованные изделия. Уже к 2000 г. объем производства формованных изделий достиг уровня 1990 г., а в 2008 г., по данным ряда специалистов, он превысил этот показатель примерно в три раза.

В настоящем издании рассматривается четыре самостоятельных технологии получения готовых изделий из полимерных листов и пленок: термоформование, холодное формование, разделительная штамповка и формование из листованных резиновых смесей. При этом надо иметь в виду, что для определения трех из этих четырех процессов в технической литературе отсутствуют единые общепринятые термины. Поэтому вначале необходимо договориться о тех названиях процессов, которые будут использоваться в этой книге.

Несмотря набольшую историю и значительную распространенность переработки термопластичных листов и пленок в объемные изделия, как только в наше время не называют этот процесс. Кто-то называет его «вторичным формованием», кто-то «штамповкой», широко распространен термин «термоформование», многие, независимо от используемого в процессе получения изделий давления, называют процесс «вакуумным формованием», многие «пневмоформованием» — всех названий и не перечислишь.

Однако если подумать, ни одно из перечисленных названий не отвечает полностью сути процесса.

Термин «вторичное формование» говорит лишь о том, что в данном процессе в качестве сырья используется заранее оформленная из того или иного термопласта листовая или пленочная заготовка. Но этот термин также применим и к производству изделий методами раздувного формования из экструдированных или отлитых под давлением заготовок.

Термин «термоформование», вообще говоря, может быть использован по отношению к большинству методов получения изделий из пластмасс, в которых непосредственно перед формованием изделия полимер нагревается до той или иной температуры.

Термины «вакуумное формование» и «пневмоформование» отражают лишь одну из разновидностей формования и не учитывают возможность использования других методов вытяжки заготовок, тем более что современное технологическое оборудование, как правило, позволяет нам использовать вакуум, избыточное давление воздуха и механическую вытяжку одновременно.

Мы же оставим прерогативу выработки единого термина соответствующим специалистам и условимся, что в этой книге будем использовать понятие «термоформование».

Нет определенного единства и при описании процесса формования объемных изделий из листовых термопластов, нс нагретых до высокоэластического состояния. В некоторых литературных источниках его называют «твердофазным формованием», в некоторых — «холодной штамповкой», а в некоторых — «холодным формованием». В этой книге мы отдадим предпочтение последнему термину.

Нет общепринятого термина и для названия процесса производства резинотехнических изделий методом формования водяным паром и вакуумом. В этой книге он будет называться «формование из листованных резин».

Термин «разделительная штамповка» перешел в промышленность переработки пластмасс из металлообработки, надежно закрепился в технической литературе, а потому не нуждается в каких-либо комментариях.

В настоящее время листовые и пленочные полимерные материалы находят все большее применение в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Примерно 40% всех выпускаемых в мире полимерных материалов перерабатываются в листы и пленки, которые в дальнейшем используются как упаковочный и облицовочный материалы, в качестве покрытий парниковых хозяйств, применяются для производства различных типов объемных и плоских изделий и для множества других целей. При этом свойства и качества конечных продуктов во многом зависят от физико-механических свойств исходных листов и пленок, которые определяются не только типом перерабатываемого материала, но и условиями их производства, а именно конструктивными особенностями агрегатов, а также технологическими параметрами процесса получения листов и пленок. Вопросам производства листов и пленок уделяется в настоящее время большое внимание специалистов.

В предлагаемом издании в едином аспекте рассматриваются вопросы теории и практики переработки листовых и пленочных полимерных материалов в ютовые изделия.

Преимуществом методов получения изделий из листов и пленок по сравнению с другими методами производства изделий из пластмасс является меньшая стоимость оборудования, возможность изготовления тонкостенных изделий, высокая степень автоматизации процесса, а также относительно малая стоимость изготовления формующего инструмента и технологической оснастки.

Процессы переработки пластмасс в изделия развились настолько, что многие виды изделий возможно изготовить несколькими способами. Так, например, ряд изделий можно получит!" как методом литья под давлением, так и термоформованием. При определении метода изготовления того или иного изделия следует иметь в виду, что применение литья под давлением для производства крупногабаритных изделий неэкономично из-за необходимости использования громоздкого оборудования с узлами смыкания большой единичной мощности и цельнометаллических форм, изготовление которых требует уникального станочного оборудования. Невыгодно применение литьевых машин и при изготовлении изделий небольшими сериями, а также при организации производства тонкостенных изделий.

Что касается производства плоских изделий из листовых полимеров, то метод вырубки является единственным экономически целесообразным способом получения подобных изделий.

Развитие методов формования и вырубки в основном зависит от темпа производства листовых и рулонных термопластов. Так, прирост мощностей, но производству формованных изделий во всем мире почти прямо пропорционален приросту мощностей по производству листа.

Наряду с целым рядом достоинств метода формования листовых и пленочных полимеров, следует помнить и его недостатки, к которым в первую очередь относится значительная по сравнению с другими методами переработки разнотолщинность получаемых изделий и недостаточная стабильность размеров деталей, попадающих при эксплуатации в условия повышенных температур. Кроме того, при выборе метода необходимо учитывать, что листы и пленка стоят дороже гранул. Однако в последнее время этот фактор имеет меньшее значение в связи со значительным удешевлением процесса листования термопластов и созданием автоматических линий типа «экструдер — формующий агрегат», «каландр — формующий агрегат» и литьевых машин с приспособлением для формования отлитых заготовок.

Несмотря на то что формование изделий из листовых полимеров является одним из старейших процессов переработки пластмасс, до настоящего времени этот метод, по сравнению с большинством других, остался наименее изученным и не имеющим строгого математического описания.

Такое положение объясняется несколькими причинами. Во-первых, сказывается относительная простота технологического и механического оформления процесса. Эта простота создаст обманчивое впечатление, что процесс достаточно освоен и изучен и что все его возможности в значительной степени используются. Вторая причина состоит в том, что многие изделия, получаемые формованием из листовых полимеров, могут быть изготовлены другими методами переработки пластмасс. Возможность при возникновении трудностей в процессе формования того или иного конкретного изделия перейти на иной метод производства также, безусловно, явилась тормозом на пути более глубокого изучения процесса формования из листовых полимеров. Третья немаловажная причина — потребность описываемого метода в дорогостоящем, а подчас и дефицитном сырье — листовом и пленочном материале, что также нередко склоняет чашу весов при определении способа производства изделия в сторону литья под давлением или раздувного формования.

Наконец, определенную роль играют и общеизвестные недостатки изделий, полученных методом формования из листа. Значительная разнотипность этих изделий и недостаточная стабильность их размеров при эксплуатации в условиях повышенных температур резко сузили диапазон применения формованных деталей в изделиях технического назначения. Использование этих изделий ограничилось предметами бытового назначения, упаковкой, деталями санитарно-технического назначения, элементами декоративной отделки, неответственными корпусными деталями. А такое использование формованных изделий само по себе подразумевает малые требования к их качеству и, следовательно, не стимулирует серьезные исследования процесса.

Книга содержит также описание технологии и оборудования для получения объемных изделий путем формования сырых листованных резиновых смесей. Дело в том, что, несмотря на традиции, сложившиеся в промышленности, согласно которым переработка пластмасс и производство резинотехнических изделий осуществляются на разных предприятиях, термоформование изделий из листовых термопластов и формование изделий из сырых резиновых смесей имеют много общего. Поэтому описание процесса получения резинотехнических изделий, по мнению автора, может и должно соседствовать с описанием термоформования изделий из листовых и пленочных термопластов. В то же время автор считает нецелесообразным загружать данную книгу вопросами разработки специальных резиновых смесей, предназначенных для формования, и технологии получения из них листовых заготовок. Не описываются и структурные изменения, происходящие в резине при ее переработке, а также другие проблемы, достаточно подробно освещенные в соответствующей специальной литературе.

Мировой опыт производств по переработке пластмасс показывает, что возможности процессов получения изделий из листовых полимерных материалов еще далеко не исчерпаны. Более глубокое изучение физических основ формования, выявление взаимосвязи свойств сырья, технологических параметров и особенностей аппаратурного оформления процесса с качеством готовых изделий позволяет существенно расширить их область применения, заранее, еще на стадии проектирования изделия и разработки технологии процесса формования, прогнозировать те или иные характеристики изделия и направленно их изменять.

Автор надеется, что подробный анализ методов формования, влияния технологических параметров на ход процесса и качество изделий, а также изложение теоретических основ процесса послужат этим целям.

В книге отсутствует описание процессов сварки пленочных и листовых материалов, хотя эта технология очень широко используется при получении целого ряда изделий. Сделано это осознанно в связи с тем, что сварка листов и пленок достаточно полно описана как в отечественной, так и в зарубежной литературе. В частности, по этому вопросу можно рекомендовать книги проф. Г. В. Комарова.

Автор выражает глубокую благодарность проф. В. С. Киму за любезно предоставленные материалы по методам получения листовых и пленочных заготовок.

Автор будет благодарен читателям за критические замечания, направленные на улучшение содержания данной книги.