Экономические основы технологии производства пластмасс

 

 

Введение

        Самым распространенным искусственным материалов, которые отсутствуют в природе и поэтому происходят за счёт химической обработки, являются полимеры, пластмассы, которые появились  к 20 веку. Этот век характеризуется бурным развитием новых технологий. Они распространены благодаря тому что их применение обусловлено рядом специфических свойств, таких как малая плотность при удовлетворительной технологической прочности, высокая химическая коррозионная стойкость, хорошие электроизоляционные свойства и другие. Данная тема является актуальной, так как в современном мире пластмассы стали неотъемлемой частью жизни человека, они широко используются в самых разных областях жизнедеятельности, уступают по цене другим материалам, а так же доступны всем слоям населения.

       Широкое применение пластмасс используется в машиностроении, промышленности, что позволяет сэкономить расход на дорогие цветные металлы, снижать массу изделий, повышать их долговечность, снижать трудоемкость продукции. Особенным из преимуществ является возможность не разделения процессов изготовления продукции путем совмещения процессов формообразования заготовки и получения готовых деталей. Процесс обработки происходит автоматизировано, с небольшим уровнем механической доработки.

      Целями    курсового являются: систематизация, закрепление и расширение теоретических и практических знаний по специальности, применение этих знаний при решении конкретных научных, технических, экономических и производственных задач.

       Задачами курсовой работы являются: развитие навыков ведения самостоятельной работы,овладение методиками исследования и экспериментирования, технологических, конструктивных и экономических расчетов при решении прорабатываемых в проекте проблем и вопросов.

1Основные сырьевые материалы  для производства пластмасс

1.1Общие сведения о производстве пластмасс

        Пластмассы или полимеры и изделия сделанные из  них имеют большое применение во многих областях человеческой деятельности. Производство и использование пластмасс и изделий из них – явлется одним из многих проявлений научно-технического прогресса, потому что оно способствует снижению издержек на производство большинства изделий, эксплуатационных расходов, повышению качества и улучшению их внешнего вида. Небольшое количество изделий из пластмасс или полимеров позволяет снизить транспортные расходы и затраты труда при монтаже крупных конструкций. Физико-химические и механические свойства, а также экономические преимущества пластмасс обусловливают их важную роль в химизации хозяйства. Материалы из пластмасса заменяют  многие традиционные материалы (стекло, бумагу, картон, кожу).Пластические массы - органические материалы, их основой  являются синтетические или природные высокомолекулярные соединении. Широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров. Самр название "пластмассы" значит, что эти материалы под действием нагревания и давления могут формироваться и сохранять форму, заданную  после охлаждения. Процесс  формования  происходит с помощью перехода пластически деформируемого состояния в стеклообразное. Для того чтобы было  лучше представить механические свойства пластмасс, можно сравнить эти свойства с такими же свойствами некоторых металлов. Плотность различных пластмасс бывает  от 0,9 до 2,2 г/см3; так же имеются особые типы пластмасс (пенопласты),которые обладают  плотностью от 0,02 до 0,1 г/см3. В среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в от 5 до 8 раз легче стали, меди и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более чем в 10 раз легче пробки. Прочность некоторых видов пластмасс может превосходит прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия. По химической стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Пластмассы устойчивы к действию влаги воздуха  и таких химических веществ, как кислоты и щелочи. Некоторые сорта пластмасс  представляют собой лучшие диэлектрики .В настоящее время известено  немало пластмасс, которые обладают  большой тепло- и морозостойкостью, это позволяет применять их для изготовления изделий, которые работают  в широком интервале температур. В основном пластмассы имеют твердую и блестящую поверхность, которые не нуждаются в полировке, лакировке, поверхностной окраске.  Их внешний вид не изменяется от обычных атмосферных воздействий. По методам переработки пластмассы  обладают большим преимуществом перед другими материалами. Благодаря изготовлению изделий из пластмасс такими методами как : и прессование, литье под давлением, формование, экструзии и другими ,устраняются отходы производства  и появляется возможность широкой автоматизации производства. Так же огромным преимуществом пластмасс перед другими материалами является их неограниченность и доступность сырьевой базы (нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2Перечень  и характеристика сырьевых материалов

       Полимеры и пластические массы на их основе по композиционному составу существенно отличаются друг от друга. Полимер не содержит добавок, пластмассы же - это многокомпонентные системы. Основой любой пластмассы служит связующее. Кроме него в состав могут входить:

-      наполнители

-      пластификаторы

-      смазывающие вещества

-      отвердители и ускорители отверждения

-      структурообразователи и регуляторы структурообразования

-      ингибиторы или стабилизаторы

-      красители

-      антистатики

-      антипирены

-      газообразователи

-      аппретирующие и другие добавки

       Каждый из них придаёт определённые свойства пластмассовому изделию. Связующее вещество влияет на все свойства (физико-механические), а поэтому связующее вещество определяет свойства изделия из пластмассы. В качестве связующих используют главным образом синтетические и природные смолы, некоторые производные целлюлозы.        Широкое применение получили поликонденсационные фенолформальдегидные, кремнийорганические соединения. В зависимости от связующего при выборе конкретного полимера в качестве связующего необходимо руководиться следующими теоретическими и практическими данными:

1.    При производстве изделий применяющихся в качестве конструкционных или машиностроительных деталей, рекомендуются применять главным образом поликонденсационные фенолформальдегидные олигомеры.

2.    Для производства изделий электротехнического назначения в качестве связующих можно применять фенолформальдегидные олигомеры, ПС, ПК, полиамиды, ПВХ и ПЭ.

3.    Для изготовления химического оборудования часто выбирают ПЭ, полиизобутилен - они стойкие к действию солей, кислот. Также используются фенолформальдегидные олигомеры. Универсальной химической стойкостью отличается политетрафторэтилен.

4.    Для придания изделию цветостойкости, светостойкости, способности окрашиваться в любые цвета применяются ПС, карбамидоформальдегидные смолы, сополимеры ПС с другими полимерами, ПВХ.

5.    При изготовлении изделий, работающих на трение, в состав вводят фенолформальдегид или полиамиды.

      Выбор состава полимерной композиции зависит от свойств основного компонента - полимера , а также от способности этого полимера совмещаться с добавками, и зависит от предъявляемых конечной пластмассе физико-механических и других эксплуатационных свойств. В последнее время используются гибридные связующие смеси полимеров в различных соотношениях.Интерес представляют твёрдые наполнители. По своей природе они бывают органическими и неорганическими. Каждая из групп подразделяется на порошковые, волокнистые и слоистые наполнители. К неорганическим порошковым относят молотую слюду, кварцевую муку, графит, железный порошок, каолин, тальк, оксид цинка, диоксид титана и другие. К неорганическим волокнистым - длинноволокнистый асбест, стекловолокно. Органические порошковые включают древесную муку. Волокнистые органические - хлопковый линтер, сульфитная целлюлоза, крошка древесного шпона, текстильная крошка, искусственные химические волокна. Слоистые наполнители включают стеклянную и х/б ткань, бумагу, древесный шпон. При производстве изделий с заданными свойствами большое значение имеет выбор типа связующего и наполнителя, соотношения между ними, технологии переработки пластической массы в изделие. При одном и том же связующем в зависимости от свойств наполнителя свойства пластмасс сильно различаются. Для материалов с особо высокими свойствами используют х/б ткань, химические волокна и древесный шпон. Повышенные диэлектрические свойства достигаются использованием слюды, кварцевой муки. Для придания кислотостойкости, теплостойкости и фрикционных свойств вводят асбест. Для получения пластмасс легкоокрашивающихся в светлые тона используют сульфитную муку. Для улучшения физико-механических характеристик пластмасс используют аппретирование. Аппреты - полифункциональные соединения (органические), способные взаимодействовать и с наполнителями и со связующим. Пластификаторы - это жидкие или твёрдые вещества, придающие полимеру эластичность, придающие температуре размягчения и температуре стеклования. Они способствуют улучшению перерабатываемости. Они вводятся в том случае, когда основные компоненты плохо перемешиваются, плохо вальцуются и плохо прессуются. Пластификаторы чаще всего применяются для эфиров целлюлозы, для полимеризационных пластмасс.

К пластификаторам предъявляют следующие требования:

-       совместимость со связующим и с композицией в целом

-       светостойкость

-       теплостойкость

-       малая летучесть

-       должен сообщать материалу пластичность даже при низких температурах

-       низкая стоимость

       В качестве пластификаторов применяют камфору, трикрезилфосфат, трифенилфосфат, триэтилфосфат, триметилфосфат, дибулитфталат, дибутилксилацинат. Смазывающие вещества: стеарин, олеиновая кислота. Они предотвращают прилипание пластмассы к технологическому оборудованию на стадии приготовления пластмассы и на стадии переработки при формовании. Красители - они используются в декоративных целях. Применяются различные добавки: фенольные прессматериалы окрашиваются в чёрный и коричневый. Новолачные прессматериалы окрашиваются в чёрный с помощью нигрозина. Резольные -  в коричневый с помощью мумия. Аминопласты, полимеризационные пластмассы, эфиры целлюлозы окрашиваются в разнообразные цвета. Обычно в производстве применяют органические и неорганические красители, они растворяются в углеводородах, спиртах, иногда в воде, а также применяют нерастворимые красители - пигменты (охра, сурик жёлтый, технический углерод).К потенциальным красителям предъявляют следующие требования:

-совместимость  с компонентами пластмасс

-химически  инертные (не вступали в реакции  с компонентами)

-чистота  окраски

-светостойкость

-теплостойкость

-неизменность  во времени

-низкая стоимость

       Отверждающие вещества - они вводятся в полимерный материал для обеспечения перехода полимера от линейному к пространственному строению. В качестве отверждающих веществ могут быть использованы совместно вводимые инициаторы и ускорители полимеризации. Эти добавки обычно способствуют развитию радикальной полимеризации. Этот способ обычно применяется для отверждения полиэфиракрилатных и полиэфирмалеиновых смол, в состав которых входит стирол и другие полимеризующиеся мономеры.Для сшивания эпоксидных олигомеров используются ангидриды кислот, амины и другие соединения (фталевый ангидрид, полиэтиленполиамид ПЭПА).Резольные фенолформальдегидные олигомеры отверждаются в результате поликонденсации при повышенной температуре. Новолачные фенолформальдегидные олигомеры с помощью добавок формальдегида или уротропина переводятся в резольные олигомеры и отверждаются далее при нагревании. В последнее время широкое распространение получила сшивка полиолефинов органическими пероксидами. К числу других добавок, применяемых для изготовления пластмасс, относятся венская известь (MgO + CaO), и оксид Mg. Эти оксиды в составе пластмассы нейтрализуют остатки кислых катализаторов и предотвращают коррозию пресс-формы. Они же способствуют снижению прилипаемости формуемых изделий к поверхности оснастки.В процессе приготовления и ещё более в процессе переработки, а также при эксплуатации изделий из пластмасс, полимерные изделия подвергаются воздействию тепла, кислорода, влаги, света и механических воздействий. При этом происходит деструкция, окисление, структурирование. В свою очередь окисление сопровождается ухудшением диэлектрических свойств, уменьшением упругости, повышением температуры стеклования полимера, возникающие при деструкции свободные радикалы вступают во вторичные реакции, образуя в полимере ответвления и сетчатую структуру.  Деструкция, которая сопровождается последующим сшиванием, и приводит к повышению молекулярной массы полимера вплоть до полной потери растворимости. При этом полимер теряет способность переходить в пластическое и вязкотекучее состояние. Разрыв же макромолекул и по длине цепи снижает среднюю молекулярную массу и изменяет фракционный состав полимера. При переработке оба процесса могут идти одновременно и происходящие при этом термоокислительные и механохимические превращения в итоге вызывают резкое ухудшение качества полимера. Поэтому задача технолога состоит в том, чтобы по возможности замедлить химические процессы, приводящие к разрушению пластмассы. Стабилизаторы:

-      антиокислители (антиоксиданты). Они предотвращают или замедляют процесс окисления под действием кислорода. При окислении органических соединений молекулярным кислородом образуются пероксидные радикалы, являющиеся реакционно-способными частицами. Макромолекулы антиоксидантов вступают в реакции с пероксидными радикалами, в результате чего пероксидный активный радикал заменяется малоактивным радикалом антиоксиданта. Он не способен продолжать цепь. Таким образом, стабилизаторы, как правило, являются акцепторами свободных радикалов, т. е. они замедляют цепные реакции распада полимера. Некоторые классы стабилизаторов, прежде всего амины, различные производные фенолов, подвергаются более быстрому окислению по сравнению с полимерами, поэтому они быстрее воспринимают действие кислорода воздуха и тем самым предотвращают его действие на полимер. На практике различают термо- и светостабилизаторы. В качестве термостабилизаторов применяются серосодержащие соединения, амины, производные фенолов в количестве до 0,2 % от массы композиции. Для  фотостабилизации используются производные бензофенона, сложные эфиры салициловой кислоты, производные бензотризола, различные органические соединения олова, тиазолидоны, канальная сажа.Для этрола в качестве термостабилизатора применяют дифениламин, а в качестве фотостабилизатора - салол. Эффективными стабилизаторами являются стеараты Ca, свинца, бария.

-      антирады - вещества, повышающие стойкость пластмасс к действию ионизирующих излучений. В их качестве используются нафталин, антрацен, фенантрен, пирокатехин. Они поглощают энергию, рассеивают её в виде тепла, флуоресценции, при этом сами Антирады не претерпевают существенных изменений.

-      антипирены - добавки, снижающие горючесть полимерных материалов, затрудняющие их воспламенение и замедляющие процесс распространения в них пламени. В качестве их применяются галогенсодержащие соединения, производные фосфора, изоцианата, соединения сурьмы, комбинации этих соединений.

Они должны обладать следующими свойствами:

-хорошая совместимость с полимером

- нетоксичность

- бесцветность

- атмосферостойкость

- высокие диэлектрические показатели

-       антимикробные добавки препятствуют зарождению и развитию микроорганизмов в полимерном изделии. Органические соединения ртути, меркаптаны.

-       антистатики препятствуют возникновению и накоплению статического электричества в изделиях из пластмасс.Антистатиками являются все порошки металлов и их оксидов, технический углерод, графит, ПАВ, некоторые полимеры с хорошими антистатическими свойствами. Регуляторы структурообразования или нуклеирующие агенты вводятся с целью формирования желаемой надмолекулярной структуры в полимере и желаемых свойств. Часто используется мелкокристаллический материал, тугоплавкий, добавки титана. Газообразователи применяются для получения пенопластмасс. Органические и неорганические соединения, азо- и диазосоединения, сульфогидразины, нитрозосоединения, производные гуанидина, углекислый аммоний, бикарбонат натрия, легколетучий жидкий изопентан. Газообразователи характеризуются температурой разложения и газовым числом - это количество газа в см3, который выделяется при разложении 1 г газообразователя. При нагревании полимера с газообразователем, он разлагается с выделением газа, который и производит вспенивание.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3Контроль качества технологических процессов, сырьевых компонентов и готовой продукции

       Контроль качества проводят на всех предприятиях. Контролю подвергают разные количественные показатели качества, от них зависят эксплуатационные и технологические характеристики этого изделия и процесса его изготовления. Операциям контроля уделяется немалое внимание, его строение входит в основные подразделения предприятия и включает внутренне цеховой контроль, контрольные операциях отдела технического контроля. Качество полимерных изделий будет производной от качества полимерного материала. Не получится изготовить качественное изделие из полимерного сырья слабого качества. Выходной полимерный материал контролируют на любом производстве в соответствии с техническими условиями, без них  полимерные материалы производиться не могут. Все технические условия на полимерный материал содержат определённый перечень некоторых  показателей качества,а так же методы их определения. Показатели качества определяют технологические параметры процессов переработки. К важным условиям обеспечения хорошего качества продукции, являющейся полимерным изделием широкого ассортимента, можно отнести качество полимерных материалов, тщательное соблюдение оптимальных технологических параметров, автоматизацию и механизацию производства. 
       Контроль качества полимерных изделий состоит из нескольких основных стадий, а точнее контроль качества сырья, технологический контроль изделий из этого полимерного материала в процессе их изготовления и контрольные операции отдела технического контроля (ОТК). В функции ОТК относится оценка пригодности того или иного изделия к эксплуатации и организация технологического процесса изготовления изделия с лучшим качеством. Контроль полимерных материалов происходит в начале процесса изготовления изделий или на протяжении технологического процесса,для того чтобы отбраковать изделия, которые не отвечают требованиям еще до последних процессов их механической обработки. В последние годы распространился комплексно-статистический метод оценки качества полимерных изделий и материалов. Он заключается в длинном наблюдении одновременно качества полимерного материала и параметров технологического процесса и качества полимерного изделия. Накопленные данные обрабатываются на ЭВМ и устанавливаются оптимальные показатели качества исходного материала и технологических параметров, которые дают самое лучшее качество изделий. 
Полимерными материалами могут быть пластики,с помощью которых изготавливают пластмассовые изделия, или каучуки, являющиеся основой изделий из эластомеров. Поддаются контролю и полимерные композиции- смеси пластиков или каучуков с различными добавками, обеспечивающие модификацию свойств полимеров и изделий из них. Пластмассы и каучуки имеют общую полимерную природу,что определяет особенности их поведения в процессах переработки, при этом они различаются по температурам фазовых и физических переходов, молекулярной массой, гибкостью полимерных цепей, поведением в растяжении и др. Оценку качества этих полимерных материалов нужно проводить по утвержденным методикам, на специальных приборах и на условиях,которые  предусмотрены техническими условиями на данный конкретный полимерный материал. 
Характеристикой качества пластмасс, входит во все технические условия на конкретные материалы. Значение плотности для различных видов пластмасс составляет от 900 до 2600 кг/м3. За проведением анализа следует соблюдать указанные в методиках условия испытания, это позволяет сравнивать результаты, которые получились для различных партий материалов. Для переработки пластмасс важно знать и уметь измерять удельный объем. Увеличение удельного объема,который связан с дисперсностью материала, приводит к излишним затратам на объемы оборудования, загрузочных камер пресс-форм, к увеличению объема воздуха в материале, а это ведет к образованию в изделии пустот и раковин. 
Плотность пластмасс определяют гидростатическим взвешиванием стандартных брусков размером 120 ± 2 х 15 ± 0,2 х 10 ± 0,2 мм. Брусок, имеющий комнатную температуру, подвешивают на тонкий медный провод, взвешивают на специальных аналитических весах с точностью до 0,001 г. Ритим погружают в стакан с дистиллированной водой,который  имеет температуру 20 ± 5 º С и взвешивают в воде с точностью до 0,001 г. 
Большинство полимерных изделий являются изделиями технического назначения, которые эксплуатируются в рабочих средах воды, химических веществ, бензина, органических растворителей и масел. Продолжительность эксплуатации таких изделий зависит от их устойчивости к рабочих среде. Оценка такой устойчивости проводится с помощью выдерживания образца полимерного материала в заданной среде на протяжении определенного времени,  а так же при заданных условиях. Параметр качества выражен в процентах к исходному весу образца. 
Стандартные бруски пластика размерами 120 ± 2 х 15 ± 0,2 х 10 ± 0,2 мм взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. помещают в широкогорлые банки с притертыми пробками, в которых налит спирт, бензин или масло при температуре 20 ± 2 º С. Через 24 часа образцы аккуратно вынимают из банок, вытирают до суха фильтровальной бумагой и взвешивают с точностью до 0,0001 г. Взвешивание производят не позднее чем через 3 минуты после извлечения образца из жидкости. 
Полимерные материалы могут содержать летучие вещества, органические растворители, оставшиеся за синтеза полимеров в растворах и др.. Летучие вещества образуют различные дефекты в изделиях по переработке полимерных материалов, поэтому содержание летучих веществ является показателем, который включен в технические условия на полимерный материал. Определение количественного содержания летучих веществ проводится нагреванием образца материала до температуры,которая  превышает температуру кипения летучего вещества.