Тема 1 Пластические массы и полимерные композиционные материалы конструкционного назначения

 

1.1 Цели и задачи дисциплины

Дисциплина “Технология и оборудование производства из­делий из пластмасс и композиционных материалов” является одной из основных дисциплин, изучаемых по специализации 240502.01 “Технология изделий из пластмасс и композиционных материалов” специальности 240502 “Технология переработки пластмасс и эластомеров”. Рабочей программой предусмотрены следующий объем часов и график изучения дисциплины.

Вид занятий	Семестр 7	Семестр 8	Семестр 9
Аудиторные занятия140 ч
в том числе:
лекции…………………62 ч			-
лабораторные работы...64 ч			-
практические занятия..14 ч	-	-
Внеаудиторная самостоятельная работа…140 ч
в том числе:
курсовой проект………70 ч	-	-
Экзамен +, -	-	+	-
Зачет +, -	-	-	-
Всего…………………280 ч

Cпециализация инженера по технологии изделий из пластмасс и композиционных материалов базируется на трех основах: полимерное материаловедение, технология формования (включая оборудование и технологическую оснастку), конструирование изделий.

Цель дисциплины является профессиональная подготовка студентов в области технологии и оборудования для изготовления и применения изделий из пластмасс и полимерных композитов, которая позволит специалисту осуществлять:

- квалифицированный выбор способов и технологии переработки пластических масс (ПМ) и полимерных композиционных материалов (ПКМ) в изделия;

- правильную и эффективную эксплуатацию машин и механизмов, применяемых при переработке ПМ и ПКМ;

- правильный выбор областей применения изделий из ПМ и ПКМ и их эксплуатации.

- формирование у студентов знаний и умений, необходимых для успешной профессиональной деятельности в качестве инженерно-технических работников отрасли.

Задачи дисциплины:

1. формирование у студентов знаний:

- о технологических процессах и современном оборудовании для изготовления изделий из ПМ и ПКМ:

- о научных основах получения новых видов ПМ и ПКМ с необходимыми свойствами и выбора ПКМ для создания изделий и их эксплуатации.

2. формирование у студентов понятий:

- об экономических аспектах процессов переработки и применения ПМ и ПКМ и вопросах управления качеством продукции;

3. формирование у студентов умений:

- управления действующими технологическими процессами изготовления изделий из ПМ и ПКМ, обеспечивающими выпуск продукции, отвечающей требованиям стандартов;

- проведения стандартных испытаний по определению основных технологических свойств, химических, физико-химических и физических свойств полимерного сырья и вспомогательных материалов, основных эксплуатационных характеристик изделий из ПМ и ПКМ.

- разработки технологических схем и процессов переработки полимерных материалов с учетом обеспечения экологической чистоты производства, уровня его механизации и автоматизации;

- осуществления технического контроля, разработки технической документации в технологии производства изделий из ПМ.

Сведения, полученные при изучении дисциплины, должны быть использованы обучающимися в профессиональной работе на предприятиях и фирмах, занимающихся созданием новых видов полимерных материалов, переработкой полимерных материалов и конструированием изделий и оснастки из ПМ и ПКМ и вопросами расширения областей их применения.

Учебная литература

Основная

1. Бортников В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трех томах. Том 2. Технология переработки пластических масс. – Казань: Изд-во “Дом печати”, 2002. – 399 с.

2. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов В.В. Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов: Учеб. пособие. СПб.: Профессия, 2004. – 464 с.

3. Шварц О., Эбелинг Ф.-В., Фурт Б. Переработка пластмасс. /Под общ. ред. А.Д. Паниматченко. – СПб.: Профессия, 2005. – 320 с.

4. Технические свойства полимерных материалов: Уч. справ. пос. / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко, Ю.В. Крыжановская. – СПб., Изд-во Профессия, 2003. – 240 с.

5. Справочник по технологии изделий из пластмасс /Г.В. Сагалаев, В.В. Абрамов, В.Н. Кулезнев, С.В. Власов др. Под ред. Г.В. Сагалаева, В.В. Абрамова, В.Н. Кулезнева, С.В. Власова. – М.: Химия, 2000. – 424 с.

6. Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов/С.В. Власов, Э.Л. Калинчев, Л.Б. Кандырин и др. – М.: Химия, 1995. – 528 с.

7. Техника переработки пластмасс /Под ред. Н.И. Басова и В. Броя. – Совместное издание СССР и ГДР (Изд-во Дейтчер Ферлаг Фюр Грундштоффиндустри, г. Лейпгиг). – М.: Химия, 1985.

8. Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс: Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия, 1983. – 304 с.

9. Торнер Р.В., Акутин М.С. Оборудование заводов по переработке пластмасс. – М.: Химия, 1986. – 400 с.

10. Басов Н.И., Казанков Ю.В., Любартович В.А. Расчет и конструирование оборудования для производства и переработки полимерных материалов. – М.: Химия, 1986. – 486 с.

11. Шембель А.С., Антипина О.М. Сборник задач и проблемных ситуаций по технологии переработки пластмасс. – Л.: Химия, 1990. – 272 с.

Дополнительная

12. Негодяев Н.Д., Глухих В.В., Матерн А.И. Полимеры – химия и жизнь: краткий путеводитель по миру полимерных материалов. – Екатеринбург: УГТУ,1996. – 162 с.

13. Основы полимерного материаловедения: Учебное пособие/ Н.Д. Негодяев, В.Г. Бурындин, В.В. Глухих, А.И. Матерн. – Екатеринбург: УГТУ, 1998. – 322 с.

14. Практикум по полимерному материаловедению /Под ред. П.Г. Бабаевского. – М.: Химия,1980. – 256 с.

15. Технические свойства полимерных материалов: Уч. справ. пос. / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко, Ю.В. Крыжановская. – СПб., Изд-во Профессия, 2003. – 240 с.

16. Макаров В.Г., Коптенармусов В.Б. Промышленные термопласты. Справочник. – М.: АНО “Издательство “Химия”, “Издательствово “КолосС”, 2003, - 208 с.

17. Калинчев Э.Л., Саковцева М.В. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации пластмасс: Справочник. – Л.: Химия, 1987. – 416 с

18. КаменковЕ.И., Мясников Г.Д., Платонов М.П. Применение пластических масс. Справочник. – Л.: Химия, 1985. – 448 с.

19. Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. – М.: Химия, 1985. – 400 с.

20. Сагалаев Г.В., Виноградов В.М., Комаров Г.В. Основы технологии изделий из пластмасс: Цикл лекций в двух частях. – М.: Химия, 2000. – 424 с.

22. Швецов Г.А., Алимова Д.У., Барышников М.Д. Технология переработки пластических масс: Учебник для техникумов. – М.: Химия, 1988. – 512 с.

23. Гиберов З.Г. Механическое оборудование заводов пластических масс. Учеб. для тех-мов. – М.: Машиностроение, 1967, – 240 с.

24. Оборудование для переработки пластмасс: Справ. пособие /Под ред. В.К. Завгороднего. – М.: Машиностроение, 1976.– 407 с.

25. Оленев Б.А., Мордкович Е.М., Калошин В.Ф.. Проектирование производств по переработке пластических масс. М.: Химия, 1982. – 256 с.

26. Ставров В.П., Дедюхин В.Г., Соколов А.Д. Технологические испытания реактопластов. – М.: Химия, 1981. – 248 с.

27. Руководство для эффективного литья пластмасс под давлением. /Составили Э.Л. Калинчев, М.Б. Саковцева. – М.: НПП “Полипластик”, 1997. – 183 с.

28. Бернхард Э. Переработка термопластичных материалов. – М.: Химия, 1965. – 748 с.

29. Лапшин В.В. Основы переработки термопластов литьем под давлением. – М.: Химия, 1974. – 270с

30. Филатов В.И. Технологическая подготовка производства пластмассовых изделий. – Л.: Машиностроение, 1976. – 272 с.

31. Бортников В.Г. Производство изделий из пластических масс Учебное пособие для вузов в трех томах. Том 3. Проектирование и расчет технологической оснастки. – Казань: Изд-во “Дом печати”, 2004. – 311 с.

32. Фридман М.Л. Технология переработки кристаллических полиолефинов. М.: Химия, 1977. – 400с.

33. Современные композиционные материалы /Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. Пер. с англ. – М.: Мир, 1970. – 525 с.

34. Принципы создания композиционных полимерных материалов/ Ал. Ал. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопов. – М.: Химия, 1990. – 240 с.

35. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие. /Под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски. – М.: Химия, 1981. – 632 с.

36. Пластики конструкционного назначения (реактопласты) /Под ред. Е.Б. Тростянской. – М.: Химия, 1974. – 304 с.

37. Конструкционные стеклопластики /В.И. Альперин, Н.В. Корольков, А.В. Мотавкин и др. – М.: Химия, 1979. – 360 с.

38. Полимерные композиционные материалы//ЖВХО им. Д.И. Менделеева, Том 34, вып. 5, 1989. – 144 с.

39. Тростянская Е.Б. Термопласты конструкционного назначения. – М.: Химия, 1975. – 239 с.

40. Дедюхин В.Г., Ставров В.П. Прессованные стеклопластики. – М.: Химия, 1976. – 272 с.

41. Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. – М.: Наука, 1966. – 370 с.

42. Ставров В.П. Формообразование изделий из композиционных материалов: Учеб. пособие для студентов специальностей “Конструирование и производство изделий из композиционных материалов”, “Оборудование и технологии высокоэффективных процессов обработки материалов”. Минск: БГТУ, 2006, - 482 с.

43. Киселев Б.А. Стеклопластики. – М.: Химия, 1961. – 240 с.

44. Практикум по технологии переработки пластических масс /Под ред. В.М. Виноградова и Г.С. Головкина. – М.: Химия, 1980.

45. Энциклопедия Полимеров в 3 томах. Ред. Коллегия: В.А. Кабанов (глав. ред.) [и др.]. – М.: Советская Энциклопедия, 1972-77

 

1.3 Краткая справка об истории и перспективах развития промышленности полимерных

Материалов

 

Одной из самых характерных особенностей современного этапа развития мировой экономики, промышленности и всей жизнедеятельности человека является более широкое использование новых продуктов и материалов. Многие из них получают на основе химических процессов переработки природных веществ. И на базе этих материалов стало возможно внедрение новых технологических процессов, создание таких отраслей промышленности, как авиационная и ракетно-космическая, радиоэлектроника и развитие в целом научно-технического прогресса.

Проходящая в современный век научно-техническая революция, безусловно связана с применением полимерных материалов. Они на современном историческом этапе самостоятельные материалы с разнообразными физико-механическими свойствами и особенностями. Это материалы с большим будущим. Создана возможность получать материалы с нужными свойствами и изделия с минимальными затратами труда и максимально удовлетворять потребности общества. Именно, это обстоятельство является причиной того, что полимерные материалы со времени их появления не имели остановки в развитии их производства во всех странах. Является фактом, что те страны, в которых наиболее быстро развивалось производство полимерных материалов, имели наиболее быстрое экономическое развитие.

Среди конструкционных материалов, применяемых человечеством в своем историческом развитии полимерные материалы самые молодые. История применения керамики и металлов насчитывает несколько тысячелетий, а создание и применение полимерных материалов началось лишь в XIX веке. Началу применения полимерных продуктов послужило открытие в 1839 г. Чарльзом Гудьиром реакции вулканизации натурального каучука (НК), положившей начало резиновой промышленности (1844 г): производство резины, эбонита, гуттаперча (полиизопрен). В 1870г Дж. Хиатт начал производство нитрата целлюлозы и целлулоида (динитрат целлюлозы, пластифицированный камфарой).

В 1910 был получен белковый (казеиновый) пластик галалит (“молочный камень”) – продукт обработки белка молока (казеина) водным раствором формальдегида (формалином). В первом десятилетии XX века было также начато промышленное производство из диацетата целлюлозы – ацетатного шелка (вискозы) и ацетилцеллюлозных пластиков (этролов). Все перечисленные продукты по современной терминологии являются искусственными материалами, т.к. они получились (и получаются до сих пор) химической обработкой природных полимеров (модификация). Первыми синтетическими полимерными продуктам были материалы, полученные на базе формальдегидных смол (фенопласты): бакелит американского химика Л. Бакеланда и карболит (“камень из карболки”) русских инженеров-химиков Лисьева, Петрова, Тарасова. Начало промышленного производства бакелита – 1907 г, а карболита – 1913 г. В 1916 г был пущен первый в России завод пластмасс “Карболит” (г. Орехово-Зуево).

Ясно, что даже суммарный выпуск полимерных материалов в первые годы становления промышленности пластмасс был относительно не большим. Заметное увеличение мирового выпуска полимерных материалов произошло в 30-е годы прошлого столетия, когда было начато промышленное производство синтетических полимеров. Этапы промышленного освоения производства важнейших синтетических полимерных материалов представлены в таблице 1.1.

В повседневной деятельности человека синтетические полимеры и полимерные материалы на их основе теперь играют важную роль. В настоящее время синтезировано большое число полимеров, обладающих огромным разнообразием физических и химических свойств. Статистические данные показывают, что в настоящее время из всех потребляемых в мире материалов на долю синтетических полимерных материалов (СПМ) приходится более 75 % и на долю металлов около 20%. Производство СПМ превышает общий выпуск основных цветных металлов (алюминия, меди, цинка) более, чем в 2,5 раза. В последнее десятилетие около 35 % металлов во многих отраслях народного хозяйства заменено на полимерные материалы. Динамику роста мирового ежегодного производства материалов на полимерной основе (СПМ, синтетические волокна, синтетические каучуки-эластомеры) в сравнении с продукцией металлургии и целлюлозно-бумажной продукции наглядно представляет следующий график (рис. 1.1). Если в 1900 г было произведено 20 тыс. т полимерных материалов, в 1950 г 1 млн. т, то, начиная с 1960-х г.г. как видно из графика, производство СПМ развивается бурными темпами. Замедление роста в начале 70-х, а затем и начале 80-х связывают с экономическими и энергетическими кризисами в эти периоды в мировой экономике. Фактическая стабилизация и бурный рост производства СПМ происходит с 1985 г. Коэффициент роста еже годного производства составляет: СПМ – 10%, металлов – 3%, ЦБ-продукции – 1%. Экономические прогнозы производства СПМ, предполагали, что пластмассовый век начнется с 1985 г, когда на душу населения в масштабе всего мира будет произведено полимерных материалов и стали по 25 дм³. Это и подтвердилось развитием всей мировой экономики.

Потребление пластмасс по регионам распределяется неравномерно, к тому же с течением времени меняется география. На рис. 1.2 показано производство СПМ в мире по странам-производителям в 2000 г. Более 75 % объема производства приходится на США, Западную Европу и Юго-Восточную Азию (без Японии).

По прогнозам специалистов, к 2010 г. эта расстановка сил изменится. Основными потребителями станут жители Юго-Восточной Азии (кроме Японии) – 32,5 %, а на долю Северной Америки и Западной Европы придется уже по 26 и 20,5 % соответственно. Интересно, что при незначительной

Таблица 1.1 - Начало промышленного производства ряда полимеров и пластмасс

Годы	Полимеры и пластмассы
1905-1915	Фенолоформальдегидные смолы и пластмассы на их основе (фенопласты): бакелиты и карболиты
1930-1940	Поливинилацетат и полистирол (1930) Полиметилметакрилат (1934) Алкидные смолы (1933-35) Поливинилхлорид (1937) Полиамиды (1938-40) Меламиноформальдегидные смолы (1939) Полиэтилен высокого давления (1938-Великобритания; 1939-Германия; 1943-США)
1941-1950	Полиакрилонитрил (1943) Кремнийорганические смолы-силиконы (1944) Эпоксидные смолы (1948) Полиуренаты (1949-50) Политетрафторэтилен (1950) Стеклопластики
1951-1960	Полипропилен (1954-57) Поликарбонаты (1957) Полиэтилен низкого давления Цис-полиизопрен (синтетический аналог НК)
1961-1970	Полиаерилаты; полиарилены; стереорегулярный изопреновый каучук, аналог НК-СКИ-3 (СССР). Стереорегулярный бутадиеновый (дивиниловый) каучук СКД (СССР); полиформальдегид
1970 и далее	Известные многотоннажные полимеры и сополимеры с модифицированной структурой и улучшенными свойствами; малотоннажные полимеры со специальными свойствами; полимерные композиционные материалы; смеси и сплавы полимеров

Рис. 1.1. Динамический рост мирового производства синтетических полимерных материалов, продукции металлургии и целлюлозно-бумажной продукции

 

(в общемировом масштабе)доле потребления полимерных материалов в Восточной Европе, включая Россию, (4 %) именно здесь наблюдаются наиболее быстрые темпы развития этого рынка – 8 (в сравнении со странами Юго-Восточной Азии – 7,5%). Прогнозируется, что к 2010 г будет потребляться 250 млн. т. пластиков. Причем этот рост будет идти во всех странах, правда, в разном соотношении, как показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Прогноз глобального потребления пластмасс [по данным Х. Франца, Пластикс, №12 (2006)]

 

Как представлено в таблице 1.2, даже в докризисный 1989 год бывший СССР занимал 4 место в мире по производству СПМ, но на душу населения отставал от ведущих производителей в 7÷8 раз.

Положение с производством СПМ в России ухудшилось в 90-е годы в период политического и экономического кризисов. В 2000 г. производство СПМ в России составил 2564,9 тыс. т. В настоящее время занимаем 8 место в мире по объему производства СПМ, пропустив вперед такие страны, как Франция, Китай, Италия, Англия. В России уровень потребления СПМ составляет25÷27 кг/чел. Основная причина в неконкурентноспособности: низкое качество СПМ из-за устаревшей технологии. Основные производственные фонды созданы 35÷40 лет назад и изношены более, чем на 60 %. В ведущих странах существующие в России технологии производства синтетических полимеров давно не применяются. Ситуация с производством полимерных материалов в России существенно стала

 

Таблица 1.2 - Производство СПМ на душу населения в ряде стран (1989)

Государство	Объем выпуска СПМ, тыс. т	Численность населения, млн. чел.	Производство СПМ на душу населения, кг/чел.
США		246,9
Япония
ФРГ
СССР		286,7

меняться, начиная с 2000 г, когда стали вкладываться инвестиции в модернизацию и расширение существующих производств в Казани, Уфе, Стерлитамаке, Салавате, Омске, Томске, Буденовске, Нефтекамске, Ангарске, Усолье-Сибирском. К 2014 г намечается построить новые крупнотоннажные производства полиэтилена, полипропилена, полистирола в вышеперечисленных городах, а также Тобольске, Новом Уренгое (Западная Сибирь). Интенсивно развиваются производства по переработке пластмасс, сейчас насчитывается боле 2000 предприятий и частных производств по переработке полимеров.