Полиэтилен – полимер, использующийся наиболее широко. Его технология переработки относительно проста, полиэтилен перерабатывается всеми существующими способами для переработки пластмасс, при этом непосредственно для его переработки не требуется узкоспециализированное оборудование. Комплекс химических, физико-механических и диэлектрических свойств определяет потребительские свойства полиэтилена и позволяет широко применять его во многих промышленных отраслях (радиотехнической, кабельной, легкой, химической, медицине и др.)
Для производства плоской пленки подходит полиэтилен низкого давления. Так как он лидирует по популярности и возможности использования среди всех, производимых синтетических полимеров, сополимеров и композитных материалов. Так же этот выбор можно обосновать невысокой ценой на исходное сырье, способностью к рециклингу и хорошей технологичностью, что в свою очередь определяет (ПЭНД) как один из наиболее экономичных по финансовым вложениям материалов почти универсального использования. Полиэтилен низкого давления без каких-либо проблем поддается вакуумной, пневмо- и механической термоформовке, имеет большую ударную вязкость при низких температурах, что расширяет спектр применения ПЭНД.
Пленки на основе ПЭНД более жесткие, прочные по сравнению с пленками из полиэтилена высокого давления, более мутные и полупрозрачные. Температура размягчения ПЭНД выше, чем у ПЭВД (121°С), поэтому он выдерживает стерилизацию паром. Морозостойкость примерно такая же, как и у ПЭВД (-60°С).
Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭВД, сопротивление удару и раздиру – ниже. Из-за линейной структуры макромолекулы ПЭНД ориентируются в направлении течения, поэтому сопротивление раздиру в продольном направлении пленок значительно ниже, чем в поперечном направлении. Проницаемость ПЭНД ниже, чем у ПЭВД, примерно в 5-6 раз. По химической стойкости пленки из ПЭНД превосходят пленки из ПЭВД, особенно по стойкости к маслам и жирам.
Полиэтилен применяется для производства:
· Пленок (упаковочных, сельскохозяйственных, стретч, термоусадочных)
· Труб (водопроводных, газовых, ненапорных, напорных)
· Емкостей (канистр, цистерн, бутылей)
· Волокон
· Стройматериалов
· Санитарно-технических изделий
· Протезов внутренних органов
· Предметов домашнего обихода
· Изоляции электрических кабелей
· Деталей автомашин и различной техники
· Пенополиэтилена
Характеристика полимерного сырья.
Полиэтилен (ПЭ) [–СН2-СН2–]n - термопластичный полимер, непрозрачен в толстом слое, кристаллизуется в диапазоне температур от минус 60 °С до минус 369 °С; не смачивается водой, при комнатной температуре не растворяется в органических растворителях, при температуре выше 80 °С сначала набухает, а затем растворяется в ароматических углеводородах и их галогенопроизводных; ПЭ устойчив к действию водных растворов солей, кислот, щелочей, но при температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты быстро его разрушают. Кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать. Этилен может быть полимеризован несколькими способами, в зависимости от этого полиэтилен разделяют на: полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или низкой плотности (ПЭНП); полиэтилен низкого давления (ПЭНД) или высокой плотности (ПЭВП); а также еще на линейный полиэтилен.
ПЭНД полимеризуется при давлении не менее 5 атмосфер и температуре 80 градусов при помощи катализаторов Циглера-Натта и органического растворителя. Не так давно начала применяться технология, где используются так называемые металлоценовые катализаторы. Смысл технологии заключается в том, что удается добиться более высокой молекулярной массы полимера, это, соответственно, увеличивает прочность изделия. ПЭНД имеет жесткую структуру. По сравнению с полиэтиленов высокого давления он имеет более высокие плотность, температуру плавления, твердость, и прочность.
| Полиэтилен
| Молекулярная масса
| Плотность, г/м3
| Температура плавления, °С
|
| Высокой плотности (низкого давления)
| 50000-3*106
| 0,919-0,973
| 125-137
|
Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Разветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100 %; наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условии его кристаллизации. Оно определяет и свойства полимера. Пленки из ПЭНП в 5-10 раз более проницаемы, чем пленки из ПЭВП. Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени кристалличности) и молекулярной массы. В виде тонких пленок ПЭ (особенно полимер низкой плотности) обладает большей гибкостью и хорошей прозрачностью.Полиэтилен устойчив к ударным нагрузкам. Среди наиболее важных свойств полиэтилена можно отметить морозостойкость. Они могут эксплуатироваться при температурах от -70°С до 60 °С (ПЭНП) и до 100 °С (ПЭВП), некоторые марки сохраняют свои ценные свойства при температурах ниже -120°С. Полиэтилены, являясь предельными углеводородами, стойки по отношению ко многим агрессивным средам (кислотам, щелочам и т.д.) и органическим жидкостям. Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение. Срок старения увеличивают за счет специальных добавок — противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа).
Полиэтилен ПНД (высокой плотности) применяется преимущественно для выпуска тары и упаковки. За рубежом примерно третья часть выпускаемого полимера используется для изготовления контейнеров выдувным формованием (емкости для пищевых продуктов, парфюмерно-косметических товаров, автомобильных и бытовых химикатов, топливных баков и бочек). При этом стоит отметить, что по сравнению с другими областями, опережающими темпами растет использование ПЭНД для производства упаковочных пленок. ПЭ НД находит также применение в производстве труб и деталей трубопроводов, где используются такие достоинства материала как долговечность (срок службы — 50 лет), простота стыковой сварки, дешевизна (в среднем на 30% ниже по сравнению с металлическими трубами).
Для производства заданного изделия предлагается использовать ПЭНД 20808-024
| Наименование показателя
| Норма для марки
| Метод испытания
|
| 20808-024
|
| Первый сорт
| Второй сорт
|
| 1. Плотность, г/см3
| 0,949-0,954
| По ГОСТ 15139-69 и п.5.8 настоящего стандарта
|
| 2. Показатель текучести расплава, г/10 мин
| 1,8-3,0
| По ГОСТ 11645-73 и п.5.9 настоящего стандарта
|
| 3. Разброс показателей текучести расплава в пределах партии, %, не более
| ±15
| ±20
| По п.5.10 настоящего стандарта
|
| 4. Количество включений, шт., не более
|
| Не нормируют
| По п.5.11 настоящего
|
| 5. Массовая доля золы, %, не более
| 0,025
| 0,050
| По ГОСТ 15973-82 и п.5.12 настоящего стандарта
|
| 6. Массовая доля летучих веществ, %, не более
| 0,15
| 0,25
| По ГОСТ 26359-84
|
Технологическая схема производства плоской пленки.
1.1. Технологическая схема и ее описание.
1 – Вагон, 2 – Электропогрузчик, 3 - Склад, 4 – Растарочная установка, 5 – Экструдер, 6 - Каладер, 7 – Режущее устройство, 8 – замена бабины, 9 – Упаковочный автомат, 10 – Склад, 11 – Контроль качества, 12–Агломератор
Материал (ПЭНП) получают (1) в пункте приема, в больших мешках. Далее материал транспортируется электропогрузчиком(2) в специальное помещения (склады), защищающим его от воздействия внешних факторов окружающей среды. Материал складируется на специально отведенном месте(3). Далее мешки с материалом попадают в растарочную установку (4). Дальше материал попадает в бункер экструдера(5). Червяк экструдера захватывает материал. В процессе движения материала вдоль цилиндра происходит смешение, гомогенизация и пластикация расплава, а затем его выдавливание через фильтрующие сетки в щелевую головку, предназначенную для формования полотна заданной ширины и толщины. Выходящие из щелевой головки полотно, пройдя глянцующее устройство, попадает на валки сглаживающего каландра(6). После каландра полотно попадает на охлаждающие валки. С помощью тянущего устройства полотно подается на обрезку кромок, в режущее устройство(7). Дальше происходит намотка полотна на бобины(8). По достижении определенной длины следует замена бобины(8). Далее каждая бобина упаковывается на специальном автомате.(9). Далее готовое изделие попадает на склад готовой продукции(10), выборочно несколько образцов отправляются на контроль качества(11).Отходы после обрезки кромок идут на вторичную переработку, в агломиратор(12). При помощи пневмотранспорта отходы
попадают в агломератор(13), далее смешиваются со свежим сырьем и возвращаются в загрузочный бункер.В соотношении 98:2.
Описание технологии изготовления.
Прием сырья.
Прием сырья производится в мягких контейнерах, которые посредством электропогрузчика или вручную транспортируются на склад сырья.
Хранение сырья.
Цеховой склад хранения сырья необходимо проектировать из расчета 8-10 суточного запаса сырья. Материал хранится в упаковке завода изготовителя.
Растаривание сырья.
Мягкий контейнер вскрывают вручную. Сырье перемещают в промежуточный контейнер.
Входной контроль сырья.
Входной контроль сырья выполняется в соответствии с рекомендациями регламентов производства пленок, а так же ГОСТ и ТУ на сырье. Контроль сырья осуществляется по следующим параметрам: насыпная плотность, сыпучесть, гранулометрический состав, показатель текучести расплава.Испытания должны производиться в соответствии с ГОСТ:
ГОСТ 11035- Методы определения насыпной плотности формовочных масс, просыпаемых и не просыпаемых через воронку.
ГОСТ 11645- Метод определения показателя текучести расплава термопластов или методика ASTMD 1238.
Формование плоской пленки.
Сырье из раскрытого контейнера попадает в растарочную установку, от куда оно попадает в загрузочный бункер экструзионного агрегата.
Поступающие на переработку сырье претерпевает в экструзионном агрегате ряд изменений.
По характеру протекающих в канале червяка экструдера процессов можно условно разделить червяк на несколько зон: питания или транспортировки твердого материала, плавления или пластикации и дозирования или транспортировки расплава. Каждая зона имеет свои особенности.
Зона питания.
Полимер в виде гранул, порошка или непрерывной ленты поступает через загрузочный бункер в цилиндр экструдера и увлекается шнеком. По мере движения полимера в направлении оси шнека (к экструзионной головке) в нем развивается высокое гидростатическое давление. В местах контактирования полимера с цилиндром и шнеком экструдера возникают силы трения, которые при движении полимера создают работу трения. В результате выделяется теплота, которая идет на нагрев полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра, температура которых обычно превышает температуру поступающего в экструдер полимера. При этом важно контролировать нагрев стенок цилиндра в зоне питания экструдера. При слишком высокой температуре стенки полимер может расплавиться раньше времени, и материал будет проскальзывать и вращаться вместе со шнеком, т.е. его продвижение вдоль оси шнека прекратиться. При правильно подобранном температурном режиме вначале образуется длинная пробка из полимера, которая проталкивается силами трения по винтовому каналу шнека. При этом для нормального проталкивания пробки полимера по направлению к экструзионной головке длина пробки должна быть достаточно велика. По мере продвижения твердой пробки по каналу шнека давление в ней возрастает, пробка уплотняется; поверхность пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой цилиндра, нагревается, и на ней образуется тонкий слой расплава. Постепенно толщина этого слоя увеличивается; когда она сравняется с размером зазора между стенкой корпуса и гребнем шнека, он начинает соскребать слой расплава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение шнека является фактически концом зоны питания и началом зоны плавления.
Зона плавления.
В пределах зоны плавления полимерная пробка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет вязкого трения. В межвитковом пространстве шнека в зоне плавления находятся пробка полимера и расплав полимера. По мере продвижения к экструзионной головке происходит дальнейшее увеличение количества расплава и уменьшение полимерной пробки. При этом высота пробки остается примерно постоянной, а ее ширина по мере продвижения по шнеку постепенно уменьшается. Так продолжается до тех пор, пока ширина пробки не станет достаточно малой, и циркуляционное течение в потоке расплава, собирающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие кусочки. Сечение шнека, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления и началом зоны дозирования.
Зона дозирования.
Течение расплава в зоне дозирования возникает под действием сил вязкого трения, развивающихся вследствие относительного движения шнека и стенок цилиндра (подобно течению жидкости в винтовых насосах) и осуществляется по винтовой траектории. Принято представлять это течение как сумму двух независимых движений: поступательного течения вдоль оси шнека и циркуляционного течения, возникающего в виде кругового движения в плоскости, перпендикулярной к оси шнека. В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плавления. Продвигаясь по
винтовому каналу в зоне дозирования, полимер продолжает разогреваться как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига. Циркуляционное течение и сдвиговые деформации обеспечивают гомогенизацию расплава, выравнивают распределение температур и позволяет использовать экструдер для эффективного смешения компонентов композиционного материала. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы поступающий к рабочему инструменту (к головке) расплав имел заданную однородную по сечению температуру. Поэтому время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточным для его прогрева и гомогенизации.
Течение расплава через фильтрующие сетки и формующую головку.
Расплав полимера продвигается далее к экструзионной головке. Как правило, перед формующим инструментом установлен пакет фильтрующих сеток. Сетки задерживают инородные включения и примеси? А также непроплавившиеся частички полимера. Непроплавленные частички продолжают нагреваться на сетки, плавятся и проходят сквозь нее. А посторонние включения удаляются вместе с сеткой при плановой смене фильтра. Далее расплав попадает с экструзионную головку и, продавливаясь сквозь формующий канал, приобретает геометрию конечного изделия. После чего полимер необходимо охладить и зафиксировать полученную геометрию. Эти задачи решает участок охлаждения и калибровки готового изделия.
Подбор режимов переработки.
К основным технологическим параметрам экструзии относят температуру расплава в цилиндре и головке, давление расплава в головке, частоту вращения шнека.
Выбор оптимального режима переработки определяется многими параметрами: видом термопласта, его полимерной массой, составом материала, видом, размером и конфигурацией изделия, типом используемого оборудования.
Температуру цилиндра следует плавно повышать загрузочной зоны к головке. Вблизи загрузочного бункера температуру задают на 10-15°С выше температуры плавления материала. Температура в головке может быть равна или на 5-10°С ниже температуры последней (по ходу экструзии) зоны материального цилиндра, что способствует улучшению гомогенизации расплава. Самая высокая температура должна обеспечиваться на участке, где установлено устройство для фильтрации расплава, так как оно создает, как правило, наибольшее сопротивление потоку.
Давление расплава в головке обусловливается сопротивлением головки и фильтрующих сеток и необходимо для хорошего перемешивания расплава. Недостаточное давление приводит к различным дефектам экструдата.
Чистота вращения шнека определяет производительность процесса и влияет на качество изделия. При высокой скорости экструзии из-за наличия шероховатостей на поверхностях основных рабочих органов машины (цилиндра и червяка) поверхность экструдата становится тусклой. С возрастанием частоты вращения червяка в расплаве за счет внутреннего трения возникают большие тепловыделения, что может быть причиной деструкции материала, снижающей физико-механические характеристики изделия. Увеличение частоты вращения может привести к пульсирующему режиму течения, так называемой эластической турбулентности. При этом наблюдается огрубление, бугристость поверхности экструдата, снижающие качество изделия.
Повышение температуры переработки, использование формующего инструмента с тщательно хромированной и полированной поверхностью позволяет повысить скорость экструзии без наступления неустойчивого течения расплава.
Данные рекомендации могут служить основой для первичного выбора технологического режима экструзии. Окончательный выбор оптимальных параметров переработки производится при практической накладке процесса.
| Температура цилиндра по зонам, °С
| Температура формующего инструмента, °С
| Давление в формующем инструменте, МПа
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 5-12
|
Охлаждение.
При экструзии плоской пленки расплавленный полимер продавливают сквозь щелевую фильеру, затем он попадает в холодную водяную ванну или на охлаждающий барабан. В любом случае смысл процесса состоит в быстром охлаждении экструдированнойпленки, и поэтому охлаждение начинают на очень маленьком расстоянии от губок фильеры (обычно 25-65 мм). Такое расстояние диктуется также необходимостью уменьшить сужение пленочного полотна. При поливе на охлаждающий барабан используют хромированный полый вал с водяным охлаждением. Быстрое охлаждение
приводит к формированию маленьких кристаллитов, что дает более прозрачную пленку. При использовании закалочной ванны температуру воды в ней необходимо поддерживать постоянной. При одной и той же температуре экструдирования, чем ниже температура закалочной ванны, тем лучше пленка скользит и меньше слипается, а при высокойтемпературе пленку легче наматывать, не образуются складки, физические свойства такой пленки лучше. Щелевые фильеры для формования плоской пленки имеют большую ширину в сравнении с диаметром головки экструдера, а это означает, что путь, который проходит поток до краев фильеры, длиннее, чем путь до ее середины. Компенсации потока обычно достигают за счет фильеры с коллектором. Она содержит поперечный канал (или коллектор) такого диаметра, что сопротивление потоку в нем меньше, чем сопротивление, создаваемое губками фильеры. Назначение коллектора - компенсировать поток расплава — может быть реализовано, если вязкость расплава достаточно низка, поэтому для плоской пленочной экструзии необходима более высокая температура. Это ограничивает использование фильер с коллектором переработкой материалов с хорошей тепловой стабильностью. Другим следствием экструдирования при более высокой температуре является необходимость использования более плотных фильтров, для того чтобы поддерживать удовлетворительное давление. Внутренняя сторона щелевой фильеры должна быть тщательно обработана, так как даже небольшой дефект поверхности может привести к появлению шероховатости на пленке или разнотолщинности.
Обрезка кромок.
Плоские ножи для обрезки кромок укреплены на специальных кронштейнах и расположены с двух сторон между двумя опорными валками. Кромки непрерывно наматываются на катушки, вращающиеся от привода тянущих валков.
Как только оператору удастся выбрать удобный момент, ему следует произвести некоторое регулирование приемного и намоточного оборудования. Необходимо включить ножи для обрезки кромок и разрезки полотна и отрегулировать ширину получающихся полос. Натяжение при намотке должно быть отрегулировано так, чтобы, с одной стороны, предотвратить появление морщин, а с другой—не вызывать сплющивания намотанного рулона пленки или листа. Может появиться необходимость в раздельном регулировании натяжения полотна на различных участкахприемного оборудования. При использовании присадок, предохраняющих полотно от слипания, надо включить и отрегулировать соответствующее приспособление на требуемый расход порошка. При необходимости также следует включить приспособления для огневой и электростатическойобработки поверхности пленки.
Археология
Биология
Генетика
География
Информатика
История
Логика
Маркетинг
Математика
Менеджмент
Механика
Педагогика
Религия
Социология
Технологии
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
