Технологические особенности переработки полимерных материалов методом экструзии

МИНИСТРЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

учреждение высшего  профессионального образования

“МАТИ” - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

 

 

 

Кафедра «Технология  переработки неметаллических материалов»

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

По дисциплине «Технология  получения полуфабрикатов из ПКМ»

 

 

на тему:

«Технологические особенности переработки полимерных материалов методом экструзии»

 

 

 

 

Студент группы  МТМ-4-038 ____________________ /Антропов Е.Э. /

 

Руководитель __________________________________ /Грабильников А.С./

 

 

 

 

Дата защиты: 18.04.2012

Оценка:

Председатель комиссии:

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА – 2012

Содержание

 

 Введение.  Методы  переработки термопластичных полимеров Общая характеристика полимеров, перерабатываемых методом экструзии

1.Экструзия – общая  характеристика процесса

   1.1 Процессы, происходящие  при экструзии

1.1.1 Загрузка сырья

1.1.2Зонапитания(I)

1.1.3 Зона пластикации  и плавления (II)

1.1.4 Зона дозирования (III)

1.1.5 Течение расплава через сетки и формующую оснастку

     1.2  Основные  параметры процесса экструзии

1.2.1 Материалы и ассортимент  изделий

1.2.2 Технологические свойства  полимеров перерабатываемых методом экструзии

1.2.3 Ассортимент изделий, области применения

     1.3 Экструзия пленок.........................................

1.3.1 Технологическая схема  производства

1.3.2 Основное   оборудование

1.3.3 Режимы экструзии  рукавных пленок

1.3.4 Раздув, вытяжка и  охлаждение заготовки-рукава

1.3.5 Влияние параметров  переработки на свойства рукавных пленок

1.3.6 Виды брака при  производстве рукавной пленки

      1.4 Соэкструзия

      1.5 Многослойная  экструзия

Заключение

Список использованных источников

 

 

Введение

 

Подавляющее большинство  термопластов представляет собой гомогенные (ненаполненные) материалы, свойства которых определяются свойствами самого полимера. Небольшие количества других компонентов (пластификаторы, понижающие температуру перехода в вязкотекучее состояние и вязкость расплава полимера, стабилизаторы, замедляющие его старение и термодеструкцию, красители и др.), как правило, растворены в полимере и не вызывают резкого изменения его свойств. Поэтому очень важно подробно ознакомиться со свойства термопластичных полимеров, их связь со способами и режимами синтеза и условиями формования.

Наряду с хорошими технологическими свойствами термопластичные полимеры обладают в ряде случаев уникальным сочетанием эксплуатационных свойств: легкостью, стойкостью к действию агрессивных сред, отличными диэлектрическими, оптическими, фрикционными свойствами.

Одним из важных представителей термопластов является полиамид. Полиамиды  представляют огромный по числу представителей и очень важный по своему научному и практическому значению класс  высокомолекулярных соединений. Полиамиды представляют огромный по числу представителей и очень важный по своему научному и практическому значению класс высокомолекулярных соединений. Полиамиды представляют собой высокомолекулярные соединения линейной структуры с молекулярной массой до 30 тысяч. Макромолекулы состоят из гибких метиленовых цепочек и регулярно расположенных вдоль цепи полярных амидных групп. Наличие амидных групп, способных образовывать водородные связи, определяет физико-химические свойства, общие для всех полиамидов. В настоящее время практическое значение имеют лишь некоторые из большого числа синтезированных полиамидов.

Процесс переработки  служит для получения изделий  или полуфабрикатов с заданным комплексом свойств, определяемым условиями эксплуатации изделий. Таким образом, назначение материала, изделий, полуфабрикатов и условия их эксплуатации определяют направленность процесса переработки.

Целью данной работы является рассмотрение метода экструзии – как основного метода, для получения пленок из полиамидов.

Среди многочисленных методов получения полимеров из термопластов наибольшей производительностью отличается экструзия. Экструзионное оборудование при сравнительно небольшой металло- и энергоёмкости обеспечивает непрерывное проведение технологических процессов переработки полимеров в поточных линиях с высокой степенью автоматизации.

В настоящее время  имеется огромное множество видов  полимеров, пригодных для получения  полимерных материалов и изделий  из полимеров. Однако две трети всего  производства полимеров составляют так называемые крупнотоннажные полимеры: полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид.

Рассмотрим некоторые  из них.

 

 

Полиамид 11

 

Этот полиамид образуется при конденсации аминокислоты и впервые был получен в 1935 г. Карозерсом. В настоящее время он производится в основном Французской фирмой «Aquitaine Organico» под торговым названием «рильсан». Основным сырьем для производства ПА 11 является е-аминоундекановая кислота, которую получают из касторового масла через рицинолевую кислоту. Поликонденсацию аминокислоты проводят в расплаве при 215°С под азотом. Процесс получения этого полимера может быть непрерывным.

При промышленном производстве водная суспензия мономера с регулятором длины цепи и другими добавками поступает в вертикальный трубчатый реактор. Конденсация происходит по мере повышения температуры, а избыток воды в виде пара поднимается в верхнюю часть реактора. Равновесные условия достигаются в нижней части аппарата, где завершается конденсация.

ПА 11 отличается высокой  термостабильностью в расплавленном состоянии. Благодаря этому он широко применяется для изготовления изделий методами экструзии, литья под давлением и т. п.[10]

 

Полиамид 12

 

Наряду с ПА 11 в настоящее  время в промышленности широко применяют ПА 12. По свойствам оба полимера очень близки, но цены на бутадиен — сырье для получения лауриллактама — более стабильны, чем на касторовое масло — сырье для ПА 11.

ПА 12 в промышленном масштабе начал выпускаться в ФРГ фирмой «Chemische Werke Hills «AG» под торговым названием «вестамид». Фирмы «Plate GmbH» в ФРГ и «Aquitaine Organico» во Франции также производят этот полимер.

ПА 12 получают из лауриллактама, который производят из бутадиена по схеме, описанной на стр. 39. Так как цикл лауриллактама, содержащий 12 атомов углерода, является не напряженным, то вероятность его расщепления под действием воды очень невелика, так же как и в случае лактамов с еще меньшим числом атомов углерода в цикле. К тому же небольшая растворимость воды в полимеризующейся смеси уменьшает возможность расщепления цикла.

Реакция полиприсоединения  проходит медленно в присутствии  свободной аминокислоты и значительно  ускоряется при добавлении кислот, используемых в качестве регуляторов  молекулярной массы.

[10].

Несмотря на все многообразие полимеров, перерабатываемых методом экструзии, в настоящей работе основное внимание будет уделено термопластичным материалам (поливинилхлориду, полиэтилену и полипропилену).

Переработка ПМ и ПКМ  представляет собой сложный технологический  процесс, включающий в себя совокупность различных технологических операций, по мере выполнения, которых происходит изменение состояния, формы и свойств исходного ПМ до достижения заранее заданных эксплуатационных свойств [10].

1. Экструзия

 

Экструзия - метод формования длинномерных полимерных деталей с постоянным поперечным сечением путём непрерывного выдавливания расплава полимера сквозь формообразующее отверстие головки с последующей фиксацией фазы охлаждения расплава.

В мировой практике до 40% термопластичных полимеров перерабатывают в изделия методом экструзии с использованием червячных прессов (экструдеров) различных типов.

Под экструзией понимается метод непрерывного выдавливания полуфабриката  полимера, находящегося в вязко-текучем  состоянии  сквозь  формующую  головку, имеющую конфигурацию поперечного сечения детали, с последующим охлаждением.

Давление на расплав  перед формующей головкой может  создаваться разными механизмами; шнеком, плунжером, шестерёнчатым насосом, дисками и другими устройствами. Производство различных видов изделий методом экструзии осуществляется путем подготовки расплава в экструдере и придания экструдату той или иной формы посредством, как было сказано, продавливания его через формующие головки соответствующей конструкции с последующими охлаждением, калиброванием и т. д.

По устройству и принципу работы основного узла, продавливающего расплав в головку, экструдеры подразделяются на шнековые, бесшнековые и комбинированные.[1]

В отдельных случаях  применяются бесшнековые, или дисковые, экструдеры, в которых рабочим органом, продавливающим расплав в головку, является диск особой формы. Движущая сила, продавливающая расплав, создается в них за счет развития в расплаве нормальных напряжений, направленных перпендикулярно касательным (совпадающим с направлением вращения диска). Дисковые экструдеры применяются, когда необходимо обеспечить улучшенное смешение компонентов смеси. Из-за невозможности развивать высокое давление формования такие экструдеры применяются для получения изделий с относительно невысокими механическими характеристиками и небольшой точностью размеров. Полимеры, перерабатываемые на дисковых экструдерах, должны иметь повышенную термостабильность расплава.

Комбинированные экструдеры имеют в качестве рабочего органа устройство, сочетающее щнековую и дисковую части, и называются червячно-дисковыми. Применяются для обеспечения хорошего смесительного эффекта, особенно при переработке композитов. На них перерабатываются расплавы пластмасс, имеющие низкую вязкость и достаточно высокую эластичность.

Шнековые экструдеры могут быть различных типов: одно- и двухшнековые; одно- и двухступенчатые; универсальные и специанализированные; с осциллирующим (вдоль оси) и одновременно вращающимся шнеком; с зоной дегазации и без нее; с вращением шнеков в одну и в противоположные стороны

и т. п.[1].

 

Рисунок 1 - Схема одношнекового экструдера:

1 — бункер; 2 — шнек; 3 — цилиндр; 4 — полость для циркуляции  воды; 5 — нагреватель; б— решетка с сетками; 7 — формующая головка; 1, II, III — технологические зоны (пояснения в тексте).[1]

 

Рисунок 2 - Основные типы шнеков:

а — шнек общего назначения с тремя (I, II, III) геометрическими зонами;

б — шнек для переработки высококристаллических  полимеров;

в — шнек для экструзии ПВХ;

D — наружный диаметр; L — длина  (технологическая) шнека; h — глубина нарезки      шнека [1].

 

Наиболее простым является одношнековый экструдер без зоны дегазации. Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек

(с охлаждением или  без него), сетки, размещаемые  на решетке, и формующая головка.  В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины h нарезки по длине шнека.

В зависимости от вида выпускаемого изделия применяют  либо коротко-, либо длинношнековые машины, т.е. с малым или большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D) (см. рис 2). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера. Параметрический ряд отечественных экструдеров построен по диаметрам шнека: D = 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320 мм. В наименовании типоразмера червячного пресса указываются D и L/D. Например, ЧП-45 х 20 означает следующее: ЧП — червячный пресс, D = 45 мм, L/D = 20[2].

 

1.1 Процессы, происходящие при экструзии

Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах (см. рис. 2): питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III), а затем продвижения расплава в каналах формующей головки и охлаждения экструдата.

Деление шнека на зоны I—III осуществляется по технологическому признаку, и название зоны указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурно-скоростного режима процесса и других факторов начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой.

Цилиндр также имеет  зоны обогрева определенной длины. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I—III и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для обеспечения успешного перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.

Рассмотрим поведение  материала последовательно на каждом этапе

 экструзии [2].

 

1.1.1 Загрузка сырья

 

Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Последний вид сырья характерен для переработки отходов промышленного производства пленок, которая осуществляется на специальных экструдерах, снабженных принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах. Равномерное дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата.

Переработка полимера в  виде гранул — наилучший вариант  питания экструдера. Это объясняется  тем, что гранулы полимера меньше склонны к "зависанию", образованию пробок в бункере,