Производство ПЭТ-преформ методом литья под давлением

1. Литературный обзор

1.1 Полиэтилентерефталат — ПЭТ

1.2 Процесс литья под давлением. Виды литья

2. Технологическая часть

2.1 Термопластавтомат. Выбор ТПА по параметрам

2.2 Производство ПЭТ-преформ

3. Расчетная часть Список литературы

В настоящее время прогресс в области науки и техники невозможен без интенсивного использования пластмасс. Поэтому их производство составляет ежегодно несколько миллионов тонн и продолжает увеличиваться. Все эти пластмассы необходимо перерабатывать в разнообразные изделия. Сейчас пластмассы рассматривают как доступные и дешевые заместители других материалов. Однако развитие науки и техники привело к тому, что благодаря уникальному комплексу свойств они стали во многих областях незаменимыми материалами. В самом деле, трудно себе представить развитие медицины без искусственного сердца из пластмасс, искусственных кровеносных сосудов; развитие работ по освоению космоса без оболочек ракет из стеклопластика и т. д. Практическое значение полимеров в окружающем для нас мире трудно переоценит: упаковочные материалы (пленки, ёмкости, упаковочные ленты…), транспортные системы (конвейера, транспортеры…), трубопроводы (водоснабжение, канализация, перекачка нефтепродуктов…) и многие другие грани нашей жизни связаны с полимерами. Переработка полимеров имеет конечной целью получение изделий, отвечающих конкретным задачам эксплуатации. Современная промышленность переработки пластмасс располагает широким набором методов переработки и парком оборудования, насчитывающим более 3500 типов машин и аппаратов.

К технологии переработки пластмасс относятся следующие основные операции: а) создание материала на основе исходной пластмассы путем химических превращений, введения второго полимера, наполнителя, пластификаторов и т. п., а также путем термомеханической обработки; б) формование полученного материала и изготовление из него изделий (деталей), конструкция которых научно обоснована и учитывает конкретные условия эксплуатации.

Одним из основных способов переработки полимеров является литье под давлением. Литье под давлением — метод формования изделий из полимеров в литьевых машинах, заключающийся в размягчении материала до вязкотекучего состояния и последующем перемещении его в литьевую форму, где материал затвердевает при изменении температуры, приобретая конфигурацию внутренней полости формы. Литье под давлением позволяет получать разнообразные изделия сложной конфигурации, обладающие массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенки до 10 мм (в редких случаях — до 20 мм). Получают как единичные изделия, так и крупные партии (серии). Размер партий ограничен только сроком службы литьевых форм.

1. Литературный обзор

1.1 Полиэтилентерефталат - ПЭТ

Полиэтилентерефталат — синтетический линейный термопластичный полимер, принадлежащий к классу полиэфиров. Продукт поликонденсации терефталевой кислоты и моноэтиленгликоля. Полиэтилентерефталат обладает способностью существовать в аморфном или кристаллическом состояниях, причем степень кристалличности определяется термической предысторией материала. При быстром охлаждении полиэтилентерефталат аморфен, при медленном — кристалличен. Аморфный полиэтилентерефталат — твердый прозрачный материал, кристаллический — твердый непрозрачный бесцветный. Степень кристалличности может быть отрегулирована отжигом при некоторой температуре между температурой стеклования и температурой плавления. Товарный полиэтилентерефталат выпускается обычно в виде гранулята с размером гранул 2−4 миллиметра.

Обычное обозначение полиэтилентерефталата на российском рынке — ПЭТ, но могут встречаться и другие обозначения: ПЭТФ или PET или PETP (полиэтилентерефталат), APET (аморфный полиэтилентерефталат).

В промышленном масштабе ПЭТ начал выпускаться как волокнообразующий полимер, но вскоре занял одно из ведущих мест и в индустрии полимерной упаковки. По темпам роста потребления в настоящее время полиэтилентерефталат является наиболее быстрорастущим полимерным материалом.

Волокнообразующий полиэтилентерефталат известен на рынке под торговыми марками лавсан или полиэстер.

Технические требования, предъявляемые к отечественному ПЭТ, определяются «ГОСТ Р 51 695−2000 Полиэтилентерефталат. Общие технические условия».

Строение

Полиэтилентерефталат является продуктом поликонденсации терефталевой кислоты (OH)-(CO)-C6H4-(CO)-(OH) и моноэтиленгликоля (OH)-C2H4-(OH). В процессе поликонденсации образуется линейная молекула полиэтилентерефталата [-O-(CH2)2-O-(CO)-C6H4-(CO)-] n и вода. Молекулярная масса полиэтилентерефталата 20−40 тыс. Фениленовая группа C6H4 в основной цепи придает жесткость скелету молекулы полиэтилентерефталата и повышает температуру стеклования и температуру плавления полимерного материала. Регулярность строения полимерной цепи повышает способность к кристаллизации полиэтилентерефталата, которая в значительной степени определяет механические свойства и которой можно управлять, поскольку степень кристалличности полиэтилентерефталата зависит от способа его получения и обработки. Возможность управления кристалличностью полиэтилентерефталата существенно расширяет спектр его применения. Так, например, подвергая аморфный ПЭТ двухосному растяжению при температуре выше температуры стеклования для создания кристалличности, получают материал с замечательными барьерными свойствами для изготовления бутылок для газированных напитков.

Максимальная степень кристалличности неориентированного полиэтилентерефталата — 40−45%, ориентированного — 60−65%.

Свойства

Основные характеристики полиэтилентерефталата.

Плотность аморфного полиэтилентерефталата: 1,33 г/см3.

Плотность кристаллического полиэтилентерефталата: 1,45 г/см3.

Плотность аморфно-кристаллического полиэтилентерефталата: 1,38−1,40 г/см3.

Коэффициент теплового расширения (расплав): 6,55· 10−4.

Теплопроводность: 0,14 Вт/(м· К).

Сжимаемость (расплав): 99· 106 МПа.

Диэлектрическая постоянная при 23 °C и 1 кГц: 3,25.

Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц: 0,013−0,015.

Относительное удлинение при разрыве:12−55%.

Температура стеклования аморфного полиэтилентерефталата: 67 °C.

Температура стеклования кристаллического полиэтилентерефталата: 81 °C.

Температура плавления: 250−265 °С.

Температура разложения: 350 °C.

Показатель преломления (линия Na) аморфного полиэтилентерефталата: 1,576.

Показатель преломления (линия Na) кристаллического полиэтилентерефталата: 1,640.

Предел прочности при растяжении: 172 МПа.

Модуль упругости при растяжении: 1,41· 104 МПа.

Влагопоглощение: 0,3%.

Допустимая остаточная влага: 0,02%.

Морозостойкость: до -60 °С.

Полиэтилентерефталат обладает высокой механической прочностью и ударостойкостью, устойчивостью к истиранию и многократным деформациям при растяжении и изгибе и сохраняет свои высокие ударостойкие и прочностные характеристики в рабочем диапазоне температур от -40 °С до +60 °С, но для долгосрочного применения на улице этому материалу необходима защита от ультрафиолетового излучения. ПЭТ отличается низким коэффициентом трения и низкой гигроскопичностью. Общий диапазон рабочих температур изделий из полиэтилентерефталата от -60 до 170 °C.

По внешнему виду и по светопропусканию (90%) листы из ПЭТ аналогичны прозрачному оргстеклу (акрилу) и поликарбонату. Однако по сравнению с оргстеклом у полиэтилентерефталата ударная прочность в 10 раз больше.

ПЭТ — хороший диэлектрик, электрические свойства полиэтилентерефталата при температурах до 180 °C даже в присутствии влаги изменяются незначительно.

По сопротивляемости агрессивным средам ПЭТ обладает высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, солям, спиртам, парафинам, минеральным маслам, бензину, жирам, эфиру. Имеет повышенную устойчивость к действию водяного пара. В то же время ПЭТ растворим в ацетоне, бензоле, толуоле, этилацетате, четыреххлористом углероде, хлороформе, метиленхлориде, метилэтилкетоне и, следовательно, листы ПЭТ могут так же хорошо склеиваться, как оргстекло, полистирол и поликарбонат.

Полиэтилентерефталат характеризуется отличной пластичностью в холодном и нагретом состоянии. Листы из этого полимера имеют незначительные внутренние напряжения, что делает процесс термоформования простым и высокотехнологичным, предварительная сушка листов не требуется, теплоемкость листов из полиэтилентерефталата меньше, чем у полистирола и оргстекла, поэтому нагрев ПЭТ-листов до температуры формования требует значительно меньшей тепловой энергии и времени. Все это приводит к экономии электроэнергии и снижению трудоемкости, а, следовательно, к снижению себестоимости изготавливаемой продукции. Поэтому полиэтилентерефталат может быть хорошей заменой прозрачному сплошному поликарбонату в различных сооружениях и конструкциях, так как его стоимость значительно ниже.

Термодеструкция полиэтилентерефталата происходит в температурном диапазоне 290−310 °С. Деструкция происходит статистически вдоль полимерной цепи. Основными летучими продуктами являются терефталевая кислота, уксусный альдегид и монооксид углерода. При 900 °C генерируется большое число разнообразных углеводородов. В основном летучие продукты состоят из диоксида углерода, монооксида углерода и метана.

Для повышения термо-, свето-, огнестойкости, для изменения цвета, фрикционных и других свойств в полиэтилентерефталат вводят различные добавки. Используют также методы химического модифицирования различными дикарбоновыми кислотами и гликолями, которые вводят при синтезе ПЭТ в реакционную смесь.

Получение

Полиэтилентерефталат получают поликонденсацией кристаллической терефталевой кислоты или ее диметилового эфира с жидким этиленгликолем по периодической или непрерывной схеме в две стадии. По технико-экономическим показателям преимущество имеет непрерывный процесс получения полиэтилентерефталата из кислоты и этиленгликоля. Этерификацию кислоты этиленгликолем (молярное соотношение компонентов от 1:1,2 до 1:1,5) проводят при 240−270 оС и давлении 0,1−0,2 МПа.

Полученную смесь бис-(2-гидроксиэтил)терефталата с его олигомерами подвергают поликонденсации в нескольких последовательно расположенных аппаратах, снабженных мешалками, при постепенном повышении температуры от 270 до 300 °C и снижении давления от 6600 до 66 Па.

После завершения процесса, расплав полиэтилентерефталата выдавливается из аппарата, охлаждается (при быстром охлаждении получают аморфный ПЭТ, при медленном — кристаллический) и гранулируется (товарный ПЭТ выпускается обычно в виде гранулята с размером гранул 2−4 миллиметра) или направляется на формование волокна. Матирующие агенты (TiO2), красители, инертные наполнители (каолин, тальк), антипирены, термо-, светостабилизаторы и другие добавки вводят во время синтеза или в полученный расплав полиэтилентерефталата.

Применение

Благодаря широкому спектру свойств, а также возможности управлять его кристалличностью, полиэтилентерефталат находит разнообразное применение и занимает пятое место в мире — 6,5% от объема потребления всех полимерных материалов.

Основными областями использования полиэтилентерефталата являются производство преформ, волокон и пленок. Конечными потребителями этой продукции выступают производство бутылочной тары и упаковки, текстильная и шинная промышленность, производство фотои кинопленок, магнитных лент и дисков.

Следует отметить, что структура потребления ПЭТ в России коренным образом отличается от видовой структуры потребления в остальном мире, где наибольшая доля производимого ПЭТ (65%) перерабатывается в волокна и нити. Формирование российского рынка ПЭТ находится в основном под влиянием развития упаковочной отрасли, и крупнейшим сектором потребления ПЭТ (94,8%) является производство преформ для последующего выдува бутылок и других емкостей. Производство волокон и пленок из ПЭТ в России остается крайне неразвитым (4,1%).

Полиэтилентерефталат перерабатывается литьем под давлением, экструзией, раздувным формованием. Волокна и тонкие пленки из ПЭТ изготавливают экструзией с охлаждением при комнатной температуре. Степень кристалличности может быть отрегулирована отжигом при некоторой температуре между температурами стеклования и температурой плавления. Литьем под давлением на специальных комплексах для производства ПЭТ-преформ из полиэтилентерефталата производят преформы для ПЭТ-бутылок. Кроме того, из полиэтилентерефталата производят текстильные волокна, кордные нити, электрическую изоляцию, детали электротехнического назначения, ручки электрических и газовых плит, различные разъемы, детали кузовов автомобилей, двигателей, насосов, компрессоров, корпуса швейных машин, изделия медицинского назначения.

1.2 Процесс литья под давлением. Виды литья

Основные разновидности литья пластмасс под давлением.

Литье под давлением применяют преимущественно для изготовления изделий из термопластов. Осуществляют под давлением 80−140 МПа (800−1400 бар) на литьевых машинах поршневого или винтового типа, имеющих высокую степень механизации и автоматизации. Литьевые машины осуществляют дозирование гранулированного материала, перевод его в вязкотекучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму, выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыкание формы и выталкивание готового изделия. При переработке термопластов литьевую форму термостатируют (температура ее не должна превышать температуры стеклования или температуру кристаллизации), а при переработке реактопластов нагревают до температуры отверждения. Давление литья зависит от вязкости расплава материала, конструкции литьевой формы, размеров литниковой системы и формуемых изделий. Литье при сверхвысоких давлениях (до 500 МПа) уменьшает остаточные напряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихся полимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более точное воспроизведение размеров деталей.

Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в конце выдержки под давлением достигает 30−50% от давления литья) и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении или отверждении.

Литье под давлением позволяет изготовлять детали массой от долей грамма до нескольких килограммов. При выборе машины для формования изделия учитывают объем расплава необходимый для его изготовления, и усилие смыкания, требующееся для удержания формы в замкнутом состоянии в процессе заполнения расплавом оформляющей полости.

Для выравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье под давлением с предварительным сжатием расплава, инжекционное прессование, литье под давлением с наложением механических колебаний и др. методы.

Литье под давлением с предварительным сжатием расплава осуществляют на литьевой машине, сопловый блок которой снабжен краном. При закрытом кране производят сжатие расплава полимера в нагревательном цилиндре машины до давления литья. После открытия крана расплав под высоким давлением с большой скоростью заполняет полость литьевой формы и дополнительно нагревается за счет работы сил трения. Для предотвращения механодеструкции полимерного материала скорость течения литьевого расплава по литниковым каналам иногда ограничивают. Предварительное сжатие расплава позволяет в 1,5−2 раза уменьшить время заполнения формы и увеличить путь течения расплава до момента его застывания, что позволяет отливать длинномерные тонкостенные детали.

Инжекционное прессование отличается от обычного литья под давлением тем, что впрыск дозы расплавленного полимерного материала производят в неполностью сомкнутую форму. Уплотнение материала осуществляют при окончательном смыкании формы (прессование). Метод позволяет получать как очень тонкостенные, так и толстостенные детали из термои реактопластов. Изделия, изготовленные этим методом, имеют меньшую анизотропию (зависимость физических свойств вещества от направления) механических свойств и меньшую усадку.

Литье под давлением с наложением механических колебаний применяют для изготовления изделий из полимерных материалов, расплавы которых обладают ярко выраженными свойствами псевдопластичных жидкостей. Воздействие механических колебаний вызывает резкое снижение вязкости таких расплавов, в результате чего уменьшается время заполнения формы и происходит более равномерное распределение давление по длине оформляющей полости.

Интрузия — метод формования толстостенных изделий на винтовых литьевых машинах, объем впрыска которых может быть значительно меньше объема формуемого изделия. В процессе заполнения формы литьевая машина работает в режиме экструдера, нагнетая расплав полимера через широкие литниковые каналы в оформляющую полость при сравнительно невысоком давлении; после заполнения формы винт (шнек) под действием гидроцилиндра движется как поршень вперед и подает в форму под более высоким давлением количество расплава, необходимое для оформления детали и компенсации усадки материала.

Pim-Технология. Новый процесс формирования сложных изделий, изготавливаемых из керамических или металлических порошковых материалов. Технология литья под давлением порошковых материалов все чаще используется при изготовлении сложных деталей промышленного или бытового назначения. Наряду с другими технологическими процессами формовки, такими, как прецизионное литье, литье порошковых материалов широко применяется при осевом или изостатическом формовании. Детали, изготовленные из керамического или металлического порошкового материала, находят применение в автомобилестроении, станкостроении, при производстве магнитов, в текстильной промышленности, в часовой промышленности, для производства товаров народного потребления, в прецизионных механизмах, в медицине, стоматологии и фарфоровой промышленности. В принципе, все материалы, представленные в форме спекаемого порошка могут быть смешаны с соответствующим пластикатом и переработаны на литьевой машине. В качестве наиболее часто встречающихся следует упомянуть металлические порошки, а также порошковые оксиды, карбиды и силикаты. Для переработки металлических или керамических порошковых материалов требуется осуществить перемешивание порошкового основания и пластиката, обеспечив таким образом гомогенизацию смеси, после чего (с помощью специального экструдера) получить гранулированный материал. Этот гранулят, иными словами сырье, подготовленное для литья под давлением, пластифицируется в цилиндре пластикации ТПА (термопластавтомата), а затем впрыскивается в пресс-форму. Из полученной детали сначала удаляется пластикат — связующее вещество, после чего полученная заготовка подвергается термической обработке в специальных печах спекания. Литье металлических и керамических материалов становится экономически эффективным, когда сложные детали высокой точности исполнения требуется производить в больших количествах. Строгая последовательность литьевого рабочего цикла и стабильность процесса позволяют производить первичные заготовки из порошковых материалов. Детали с внутренними резьбами, выемками сложной формы и высоким качеством поверхности могут производиться быстро и качественно на термопластавтоматах в ручном или автоматическом режимах.

Мультикомпонентное литье. Задачей мультикомпонентного литья является автоматическое производство изделий из более чем одного полимерного компонента в рамках одного рабочего цикла. В данном процессе каждый цвет или компонент четко разграничен друг от друга; последующий компонент впрыскивается поверх предыдущегокак это имеет место в случае изготовления автомобильной оптики или рамочных компонентов с интегрированными элементами индикации. Мультикомпонентное (многоцветное) литьё может предусматривать два, три или четыре компонента. При этом значительно увеличивается сложность конструкции пресс-формы. Для сложных конфигураций стыковки компонентов часто используют пресс-формы с поворотными модулями.

Индексный поворотный механизм, необходимый для этих типов задач, может представлять собой как модуль, интегрированный в пресс-форму, так и устройство, смонтированное на самой машине. В зависимости от конструкции пресс-формы, можно поворачивать либо целую половину формы, либо лишь одну внутреннюю плиту формы.

Литье с газом — подходящий способ изготовления толстостенных изделий из пластмасс. При литье крупногабаритных изделий, таких как бамперы и панели приборов автомобилей, корпуса телевизоров, мониторов, литье пластмасс с газом позволяет получать высококачественные детали, применяя меньшие усилия смыкания термопластавтоматов. При литье с газом, как правило, используют стандартные литьевые машины, что и является секретом популярности данной технологии. Литье с газом позволяет использовать ТПА с небольшим усилием смыкания, что приводит к отличным экономическим результатам при литье больших изделий.

Обычно, при литье под давлением, уплотнение полимера в пресс-форме происходит за счет давления, создаваемого на стадии выдержки полимерного материала под давлением в гидроцилиндре узла впрыска термопластавтомата. Если изделие толстостенное, то зачастую на утолщениях — в конструкционных узлах изделия, например, напротив ребер жесткости или закраин, появляются утяжины. Неравномерное уплотнение полимера приводит к неравномерности усадочных процессов, а, следовательно, к короблению готового продукта и вызывает повышенные остаточные напряжения.

В случае применения литья пластмасс с газом, уплотнение полимера достигается главным образом не за счет за счет давления выдержки, а за счет давления газа (50−200 атм.). В качестве газа чаще всего используют азот, который относительно дешев и доступен. Кроме того, азот инертен к большинству химических соединений. Газ в формообразующую полость пресс-формы поступает либо из баллонов, либо из генераторов азота. Технология литья пластмасс с газом помогает производить изделия с высокой стабильностью размеров, хорошим качеством поверхности, минимумом утяжин и короблений, и все это при значительной экономии полимерного материала.

Главным образом, существуют две разновидности технологий литья с газом.

1) Технологии, в которых газ подается в расплавленный полимер и формирует полости внутри расплава (международное название — GAIM или GAM).

2) Технологии, в которых газ подается в полость формы для получения стороннего давления на отливку (международное название — external gas molding).

Оба варианта имеются свои области применения, но почти всегда могут быть применены на одном и том же оборудовании.

В свою очередь, технологии с подачей газа в расплав полимера (первый тип) подразделяются на несколько разновидностей, которые могут быть классифицированы по особенностям проведения технологического процесса, по месту подачи газа, по типам получаемых изделий:

1. Литье пластмасс с газом, используя неполный впрыск материала — (международное название — blow up process, short shut process);

2. Литье пластмасс с газом с полным впрыском полимерного материала — полное заполнение формообразующей полости полимером перед подачей газа (международное название — overflow process/side cavity process/spill-over process);

3. Литье пластмасс с газом с полным впрыском с последующим вытеснением расплава обратно в цилиндр литьевой машины (международное название — push back process);

4. Литье пластмасс с газом, используя точечный впрыск газа в некоторые области изделия для избегания утяжин (международное название — compensation process);

5. Литье пластмасс с газом со смещением знаков пресс-формы (международное название — core-pull process).

Принцип второго типа технологии литья с газом заключается в том, что после впрыска пластика в полость формы подается газ. В остальном литье производится в обычном режиме. Газ в этом случае подается между стороной изделия, противоположной лицевой и стенкой пресс-формы. Данная технология также позволяет получить хорошую лицевую поверхность изделия, однако в этом случае страдает поверхность обратной стороны изделия, со стороны которой действует давление газа, которая получается неровной. Кроме того, в этом случае существуют высокие требования к качеству обработки смыкаемых поверхностей полуформ, которые должны точно прилегать друг к другу для избегания утечек газа.

2. Технологическая часть

2.1 Термопластавтомат. Выбор ТПА по параметрам

полиэтилентерефталат литье пластмасса преформа Выбор термопластавтомата (машины для литья пластмасс под давлением) — сложная задача со многими неизвестными. Не надо забывать, что ТПА является универсальным оборудованием для получения штучных изделий из пластмасс. Тем не менее наилучших экономических результатов и показателей качества продукции можно добиться только при правильном выборе модификации, типа, размера, и технических характеристик термопластавтомата. Прежде чем приступить к процессу покупки термопластавтомата, необходимо тщательным образом изучить изделие (изделия), которые предполагается производить на ТПА. К особенностям изделий можно отнести: материал изделия, конструктивные нюансы изделия (толщину стенок, наличие поднутрений, отверстий, резьбы и т. д.), предполагаемую производительность, требования к качеству. При наличии готовых литьевых форм — отметить особенности этих форм, такие как геометрические размеры, особенности системы выталкивания, наличие/отсутствие гидравлических стержней, пневматики, горячих каналов и пр.

Основными параметрами, которые оказывают наиболее сильное влияние на конструкцию и технико-экономические характеристики машин и которые необходимы для разработки универсальной и специальной конструкций литьевых машин, являются: объем впрыска за цикл (объем отливки), объемная скорость впрыска (время впрыска), давление литья, площадь литья, усилия запирания и раскрытия формы, ход подвижной плиты, максимальное расстояние между плитами, жесткость, быстроходность, пластикационная способность и диапазон температур инжекционного цилиндра.

Основные характеристики современных термопластавтоматов

1. Усилие запирания формы. Это основной критерий для выбора ТПА в настоящее время в России. Величина усилия смыкания обычно выносится производителем термопласт автоматов в маркировку каждого конкретного ТПА. Этим обстоятельством сильно злоупотребляют азиатские производители, завышая, как правило, номинальное значение усилия запирания своих машин. Усилие запирания — усилие, необходимое для запирания формы, определяется площадью литья и распределением давления в форме в процессе ее заполнения или выдержки полимера под давлением. Это усилие должно быть равным усилию, возникающему в форме при литье, или быть больше него. Несоблюдение этого условия приводит к тому, что форма раскрывается, образуется облой и масса, а также размеры изделий увеличиваются, что недопустимо в свете современных требований к качеству и экономичности процесса литья. При увеличении площади литья возникает необходимость в повышении усилия, требуемого для запирания формы. Необходимое усилие запирания формы зависит от технологии литья, технологических свойств полимера и многих других факторов процесса литья. При работе на машинах с небольшим усилием запирания можно получать детали высокого качества только при наличии специальных режимов (со сбросом давления) и при высокой культуре производства, а также при применении специальных технологий литья под давлением, таких как литье со вспенивателями, литье с газом. Усилие запирания формы определяет конструкцию механизма смыкания термопластавтомата.

2. Объем впрыска ТПА. Объем впрыска (и как следствие масса впрыскиваемого полимерного материала) — также важнейшая техническая характеристика для выбора ТПА. В настоящее время выпускают литьевые машины с самым разнообразным объемом впрыска — от долей куб см до нескольких десятком дм куб. Несмотря на то, что сотни различных по типоразмерам литьевых машин выпускаются большим количеством производителей термопластавтоматов, трудно установить предпочтительный объем впрыска за цикл. Каждый изготовитель производит литьевые машины нескольких типоразмеров, отличающихся между собой объемом впрыска (ряд машин, линейка ТПА). Для отечественных литьевых машин в 20 веке был принят коэффициент, равный 2. Машины имели следующие номинальные объемы впрыска за цикл: 8, 16, 32, 63, 125, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 куб см. Большинство ТПА в СССР выпускались на Хмельницком либо на Одесском заводах (настоящая территория Украины). В настоящее время нет какого либо жесткого стандарта на величины объема впрыска ТПА. Особую сумятицу в этот вопрос вносят многочисленные азиатские производители термопластавтоматов.

3. Расстояние между плитами и ход подвижной плиты. Расстояние между плитами и ход подвижной плиты зависят от ассортимента отливаемых изделий. Максимальное расстояние между плитами и ход подвижной плиты определяют максимальную высоту формы и, следовательно, высоту изделия, которую можно получить на данной машине.

Расстояние между плитами можно регулировать в достаточно широких пределах, которые выбираются производителем литьевых машин. Как правило, на современных ТПА, максимально возможная величина высоты пресс-формы больше минимальной высоты примерно в 2,5 раза. При оптимальных значениях расстояний между плитами ТПА снижается масса формы, облегчается ее эксплуатация, отпадает необходимость в использовании специальных дополнительных плит в формах и т. д.

Ход подвижной плиты и максимальное расстояние между плитами связаны между собой; от их значения в определенной степени зависит конструкция термопластавтомата. Например, ход влияет на длину рычагов и условия их работы в гидромеханических конструкциях механизма смыкания и запирания ТПА; от хода плиты зависят длина гидроцилиндра, размеры некоторых вспомогательных механизмов. Для регулирования расстояния между плитами можно использовать различные механизмы. Выбор конструкции этих механизмов зависит от этого расстояния и от предпочтений производителей термопластавтоматов и их ноу-хау.

4. Расстояние между колоннами. Эти расстояния, а особенно горизонтальное расстояние между колоннами термопластавтомата, также немаловажны при правильном выборе необходимого ТПА. Прежде всего, эти расстояния лимитируют максимальные размеры литьевых форм, а также наличие некоторых элементов их конструкций (например наличие гидростержней).

Конструкции узлов смыкания литьевых машин отличаются по числу и расположению колонн. На машинах с небольшим объемом впрыска за цикл прессовые узлы иногда имеют две колонны, расположенные по горизонтали или по диагонали. Установка литьевых форм и обслуживание машины в этом случае облегчаются. Однако, как правило, узлы смыкания современных ТПА имеют четыре колонны.

На современных машинах с номинальным объемом впрыска до 1000 см³ соотношение между площадью литья и площадью плиты между колоннами (рабочей площадью) составляет в среднем 30−60%. Отношение полезной площади (площади литья) к общей площади плит колеблется от 12 до 25%.

5. Объемная скорость впрыска. Значение объемной скорости впрыска материала определяет скорость, с которой полимер заполняет форму, а следовательно, гидродинамику (потери давления) и термодинамику (величину охлажденного слоя, образующегося при заполнении полимером формы, понижение температуры текущего полимера) процесса литья под давлением. Объемная скорость впрыска — важнейший параметр для получения качественных изделий при литье пластмасс. Этот параметр влияет также на механодеструкцию полимера, протекающую при заполнении формы. В связи с этим объемная скорость впрыска должна быть такой, чтобы:

1) для заполнения литниковой системы (при наличии такой системы) и полости формы требовались сравнительно небольшое давление литья (для этого скорость впрыска не должна быть, с одной стороны, слишком большой, чтобы при заполнении не возникали большие напряжения сдвига и, следовательно, большие потери давления, и, с другой стороны, слишком малой, чтобы при заполнении не образовался большой охлажденный слой полимера и значительно понизилась температура текущего расплава, так как в противном случае возникают большие потери давления), причем форма должна заполняться с постоянной объемной скоростью течения;

2) формировалась структура полимерного материала изделий, обеспечивающая удовлетворительные показатели качества;

3) не произошла существенная механодеструкция полимера.

Для изготовления тонкостенных изделий (толщиной 0,2−1 мм) требуются высокие скорости впрыска. Регулирование объемной скорости впрыска осуществляется при помощи современных систем автоматики изменением расхода рабочей жидкости в гидросистеме ТПА (при применении гидравлических термопластавтоматов).

На технико-экономические показатели машины и, особенно, на ее технические возможности существенно влияет конструкция привода узла впрыска. Однако, конструкция привода узла впрыска зависит от заданной объемной скорости впрыска. Объемная скорость впрыска — один из важных факторов, определяющих энергоемкость машины.

6. Давление литья. Давление литья, необходимое для заполнения полости формы и литниковой системы (при наличии), устанавливают в гидроприводе гидравлического термопластавтомата. Его значение определяют в каждом конкретном случае, учитывая конструкцию формы и изделия, свойства перерабатываемого полимерного материала, технологические особенности переработки. Давление литья оказывает влияние на качество получаемых изделий.

Давление, необходимое для заполнения формы, зависит от времени впрыска. Высокие давления впрыска требуются при литье тонкостенных изделий из полимеров большой вязкости. Однако давление выдержки (при выдержке полимера в форме под внешним давлением), при котором получают изделия хорошего качества, как правило намного меньше давления литья. Для основных крупнотоннажных полимеров оно равно примерно 25−50 МПа.

Параметром машины служит максимальное давление (давление литья), необходимое для заполнения формы, а не для последующей выдержки под давлением, хотя бывают исключения. На современных машинах давление литья равно 60−200 МПа.

Существенные различия в давлениях литья на современных литьевых машинах определяются многообразием используемых конструкций форм и различием в свойствах перерабатываемых полимеров. Для переработки большинства полимеров на термопластавтоматах с предварительной пластикацией достаточным является давление до 100 МПа, для переработки высоковязких полимеров в тонкостенные детали, а также для формования реактопластов как правило необходимо давление 120−200 МПа.

7. Площадь литья. Площадью литья называют проекцию поверхности детали на плоскость разъема пресс-формы. Для многогнездных (многоместных) литьевых форм это — сумма площадей проекций всех деталей в форме плюс площадь проекции литниковой системы (для холодно канальных пресс-форм). Площадь литья является одним из основных параметров термопластавтомата. Этот параметр оказывает влияние на усилие, необходимое для запирания форм, на габаритные размеры плит ТПА, а, следовательно и, на цену литьевой машины.

Увеличение площади литья повышает универсальность термопластавтомата, но ухудшает его экономические показатели. Площадь литья определяет размеры плит, которые оказывают заметное влияние на массу машины.

Формы закрепляют на плитах с помощью резьбовых отверстий или продольных пазов, различным образом расположенных на плитах. Пазы являются устаревшим элементом конструкции, широко использовавшимся на ТПА марки КуаСи (ГДР). Они, как правило, создают большие удобства для закрепления форм и, кроме того, уменьшают размеры плит. Однако при наличии пазов увеличивается толщина плит приблизительно на 40−50 мм и повышается их масса, особенно на крупных машинах. Поэтому в настоящее время для крепления форм к плитам ТПА применяют резьбовые соединения. Расположение крепежных отверстий, пазов и размеры центрирующих отверстий должны быть такими, чтобы была возможность перестановки форм на различные машины. Расположение колонн определяет способ установки форм и возможность более полного использования площади плит.

8. Пластикационная способность. Под пластикационной способностью ТПА понимают производительность, которую может обеспечить инжекционный цилиндр по расплавленному полимеру (как правило по полистиролу). Задаваемая продолжительность пластикации в реальных производственных условиях зависит от продолжительности времени охлаждения детали в пресс-форме до заданной температуры, которое, в свою очередь, зависит от свойств перерабатываемого полимера, толщины изделия, режима переработки, задаваемых параметров качества изделия. Поэтому фактическая пластикационная способность машины — величина условная и переменная. В технической документации для термопластавтоматов и каталогах на ТПА обычно приводят пластикационную способность по полистиролу при максимальной частоте вращения шнека и температуре инжекционного цилиндра 190−220 °С.

Под производительностью литьевых машин понимают количество полимера, переработанного в изделия за единицу времени. На производительность влияют длительность цикла литья, эффективный фонд времени работы машины и объем впрыска за цикл.

9. Быстроходность. Быстроходность машины определяется количеством холостых (сухих) циклов в единицу времени. Параметр определят сравнительную способность ТПА конкретного производителя и модели к использованию в условиях необходимости производства тонкостенных изделий с короткими циклами (2−10 сек). Быстроходные термопластавтоматы применяются как правило в индустрии упаковки. В современных условиях производства упаковочных материалов именно такие стадии литьевого цикла, как смыкание, размыкание формы и выталкивание изделий, являются определяющими.

2.2 Производство ПЭТ-преформ

Преформы — это заготовки для получения бутылок и банок из полимеров методом выдувного формования. Преформы производят методом литья под давлением. Температура переработки 280 — 300 0С. При таких температурах возможна термодеструкция полиэтилентерефталата. Это значит, что ПЭТ теряет свои замечательные механические свойства. Бутылка, изготовленная из деструктированного ПЭТ, имеет желтоватый оттенок и повышенную хрупкость. Особенно это сказывается при транспортировке: при тряске у таких бутылок иногда отваливаются и лопаются донышки. Значительно увеличивается склонность изделий к деструктивному старению под действием кислорода и ультрафиолета — гарантийные сроки хранения сокращаются в десятки раз.

Кроме того, при термодеструкции возможно выделение весьма вредных веществ, которые мигрируют в жидкость, налитую в бутылку, а также отравляют рабочих и близко живущих жителей при производстве преформ. Допустимые концентрации вредных веществ, выделяющихся при производстве преформ, представлены в таблице.

Допустимые концентрации вредных веществ, выделяющихся при переработке полиэтилентерефталата

Катализатором термодеструкции является вода. Причем при деструкции ПЭТ снова выделяется вода. Доказано, что, для того, чтобы избежать термодеструкции, ПЭТ необходимо высушивать до содержания влаги, меньшего 0.003 — 0.004 мас. %. Такое низкое содержание влаги недостижимо при обычных приемах сушки полимеров, например в сушильных шкафах.

Устройство специального агрегата для сушки ПЭТ показано на рисунке. Сырье засасывается из мешка вакуумным загрузчиком (на рисунке не показан). Загрузчик имеет собственное дозирующее устройство, с помощью которого гранулы ПЭТ порционно подаются в бункер таким образом, чтобы он был всегда заполнен сырьем. Сырье перемещается в бункере сверху вниз так, чтобы во время пребывания каждой порции в бункере было не менее четырех часов. Снизу в бункер через выходное сопло подается подогретый нагревателем воздух. Отобрав влагу от сырья, воздух через фильтр и холодильник попадает в адсорбер-осушитель и затем снова в бункер. Адсорберов два. Когда один работает, другой регенерируется. В рабочем контуре датчики непрерывно измеряют степень сухости воздуха — точку росы. Превышение допустимого значения точки росы является сигналом того, что рабочий адсорбер пресыщен, заслонки автоматически переключаются, и роль адсорберов меняется.

Полиэтилентерефталат — кристаллизующийся полимер. Преформу при ее производстве следует охлаждать быстро, так, чтобы ПЭТ не успел закристаллизоваться и затвердел, т. е. перешел в стеклообразное состояние, сохранив аморфную, некристаллическую структуру, которую он имеет в расплавленном состоянии. С ростом температуры вязкость падает настолько, что полимер приобретает способность деформироваться за разумные промежутки времени. На этом и основан способ получения бутылок из преформ — достаточно разогреть преформу до температуры порядка ста градусов, чтобы за секунды из нее можно было выдуть бутылку.

Но в расплавленном состоянии величина вязкости ПЭТ очень низкая — подвижность очень велика и полимер может успеть частично перейти в термодинамически более выгодное — кристаллическое состояние. Визуально это видно по побелению отдельных участков преформы, особенно в области конца сферической части, у литника. Температура плавления кристаллов ПЭТ около 2500С и при температуре производства бутылок кристаллические участки преформ деформироваться — формоваться в бутылку не могут. Поэтому при производстве преформ необходимо холодильное оборудование, которое позволяет охлаждать пресс-формы с максимальной интенсивностью и получать минимальную величину кристалличности в изделии. Существуют международные стандарты, регламентирующие допустимую величину степени кристалличности в преформе. Диаметр пятна кристалличности в области литника не должен быть больше 6 мм.

Общая степень растяжения преформы при производстве бутылок порядка десяти (произведение степени растяжения вдоль и поперек оси). Это означает, что любой дефект, который имеет преформа (пятно, царапина, облой в местах стыковки формообразующих частей и т. п.), переходят на бутылку в десятикратном масштабе. Поэтому международные стандарты строго регламентируют требования к качеству поверхности и микродефектам преформ. Не должно быть видимых глазу включений, непроплавов, царапин. Образующийся при литье облой обламывается при укладке преформ и под действием электростатических сил прилипает к поверхности преформы, а затем, подплавляясь при выдуве бутылки, уродует поверхность изделия. Поэтому величина облоя должна быть минимальной. Для того чтобы эти требования выполнить, необходимо изготавливать пресс-формы с высокими размерной точностью и качеством поверхностей.

Температура переработки:

Съема изделия — 110

Сушки — 120−150

ТП — температура пресс-формы — 15−50

TC — температура сопла — 240−280

T1 — температура первой зоны обогрева — 240−280

T2 — температура второй зоны обогрева — 240−280

T3 — температура третьей зоны обогрева — 240−260

T4 — температура четвертой зоны обогрева — 230−250

TЗАГ — температура зоны загрузки материала — 100−120

Предварительная сушка необходима только при неблагоприятном хранении, длительность сушки составляет 4−5 час.

Параметры процесса литья[5]:

Давление впрыска: высокое 1200−1400 бар (100−140 бар — на манометре термопластавтомата). С учетом максимального давления впрыска на термопластавтомате — 1400 бар.

Скорость впрыска: поверхность прессованных изделий лучше при меньшей скорости впрыска.

Давление выдержки (подпрессовки): высокое улучшает качество поверхности, применять 50−70% давления литья.

Время выдержки (подпрессовки): рекомендуется небольшое время выдержки до 20% от времени охлаждения.

Подушка (остаточная): 3−5 мм, в зависимости от объема дозирования; больше объем — больше подушка.

Время охлаждения: должно быть настолько длительным, чтобы литое изделие остыло до беспроблемного извлечения из пресс-формы; определяется толщиной стенок изделия, температурой стенок пресс-формы, температурой расплава материала.

Обороты шнека: высокие, должны быть подобраны таким образом, чтобы пластикация закончилась минимально раньше времени охлаждения.

Противодавление: 30−100 бар (3−10 бар по манометру термопластавтомата).

Превышение температуры более 290 °C приводит к разложению полимера.

3. Расчетная часть

Задание: рассчитать пластификационную производительность литьевой машины. [2]

Перерабатываемый материал — полиэтилентерефталат Параметры литьевой машины:

Диаметр шнека Dшн = 45 мм =4,5 см

L/Dшн = 23

L загр = 4D = 18 см

L пл =6D = 27 см

L доз=10D = 45 см Давление литья Р = 140 атм.

Частота вращения шнека N = 140 об/мин = 2,33 об/сек Ширина гребня шнека e = 0,1D = 0,45 см Диаметр гранул ПЭТФ dгр = 3 мм = 0,3 см Коэффициент сжатия К = 2

Величина кольцевого зазора между гребнем канала винтовой нарезки и стенкой цилиндра д = 0,004D = 0,018 см Доза впрыска

V = L · рDІ/4 = 288 смі,

отсюда L = 18,12 см

L доз = 45−18,12 = 26,88 см

1. Величина прямого потока:

Глубина канала в зоне дозирования:

t = D = 4,5 см

см³

Q_пр = 7,53 · 2,33 = 17,5 см³/с

2. Величина обратного потока:

м= 9.5 · 10^-3 кгс· с/см²

3. Величина потока утечек:

; см³/с

м=4· 10^-3 кгс· с/см²

Q_общ = Q_пр — Q_обр — Q_ут

Q_{общ =} 17,5 — 1,31 — 0,0329 = 16,1571 см³/с

1. http://ekoresurs.ru/pet__polietilentereftal

2. http://www.astronc.ru/tpa₂.html

3. http://www.e-plastic.ru/main/articles/r4/pl04

4. http://www.e-plastic.ru/main/articles/r4/pl07

5. http://www.e-plastic.ru/main/articles/r4/pl01