V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

ВВЕДЕНИЕ

Области применения пластмасс с каждым годом все увеличиваются. В настоящее время пластические массы широко применяются в автомобильной и авиационной промышленности, судостроении, железнодорожном транспорте, медицине и других отраслях народного хозяйства. Из пластических масс можно производить разнообразные конструкционные, декоративные, тепло- и звукоизоляционные трубы, пленки, изделия электротехнического назначения, детали для радиоэлектроники.

Стимулом для развития производства шин, пластмасс, резинотехнических изделий и других химических материалов является планируемое удвоение производства автомобилей в России за счет реализации режима «промышленной сборки», который предполагает 30-ти процентную локализацию.

Доля пластмассы в среднем составляет 14% общего веса транспортного средства среднего класса. Пластмассы делают автомобиль легче. Вследствие этого больше чем 2,3 млн. т топлива экономятся каждый год только в Западной Европе. Это значит, что выбросы СО₂ сокращаются примерно на 9,2 млн. тонн в год. В 2008 году доля пластмасс в автомобиле увеличилась примерно на 18%, что существенно сказывается на сокращении выбросов вредных газов в атмосферу.

Дверные ручки, решетка радиатора, корпус зеркала изготавливаются из пластмасс, способных выдерживать большую нагрузку, например, из полиамида, полибутилентерефталата или сополимеров стирола.

В некоторых машинах на настоящий момент присутствует более 30 кг подобных материалов. Чехлы для сидений делаются с нанесением специальных покрытий, прочных и износостойких. В панели приборов используется полиамид, полиуретан, поликарбонат.

Уже сегодня в каждой машине с завода использованы несколько десятков видов полимерных материалов - и каждый килограмм пластмассы заменяет значительно более тяжелые металлы, помогает экономить горючее. В 2020 году, по мнению специалистов, каждый новый автомобиль будет на одну четверть состоять из полимерных материалов. Неудивительно, что эксперты прогнозируют значительные темпы роста использования полиамида, полиформальдегида и поликарбоната в европейском автомобилестроении.

Поэтому можно сделать вывод, что производство комплектующих деталей из поликарбоната для автомобильной промышленности будет экономически выгодно и целесообразно.

1. Технологическая часть

1.1. Обзор методов переработки.

Поликарбонат перерабатывают всеми известными для термопластов способами, однако, главным образом – экструзией и литьем под давлением при 230-310 °C, а также вакуумформованием. Выбор температуры переработки определяется вязкостью материала, конструкцией изделия и выбранным циклом литья. Давление при литье 100-140 МПа. Литьевую форму подогревают до 90-120 °C. Для предотвращения деструкции при температурах переработки поликарбонат предварительно сушат при 115±5 °C до содержания влаги не более 0,01 %.

1.1.1.Обоснование выбранного метода

Данную деталь можно изготавливать литьем под давлением и прессованием. Однако, литье под давлением - наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс. Этим способом можно перерабатывать все без отключения термопластичные полимеры. Этот метод позволяет получать изделия сравнительно сложной конфигурации и тонкостенные изделия. Литьем под давлением изготавливают изделия с высокой точностью размеров и высоким классом чистоты поверхности. Литье под давлением - периодический процесс, в котором технологические операции выполняются в определенной последовательности по замкнутому циклу. Поэтому процесс литья под давлением довольно просто автоматизируется. Этот метод позволяет получать изделия при небольших затратах труда и энергии. Литье под давлением также является более высокопроизводительным, по сравнению с прессованием, методом переработки пластмасс.

Исходя из вышеизложенного, получать данное изделие предпочтительнее методом литья под давлением.

1.2. Характеристика сырья.

Поликарбонат – синтетический термопластичный полимер, один из видов сложных полиэфиров угольной кислоты и дигидроксисоединений (линейный полиэфир угольной кислоты и двухатомных фенолов). Образуются из соответствующего фенола и фосгена в присутствии оснований или при нагревании диалкилкарбоната с двухатомным фенолом при 180-300 °С. Продукт полимеризации полибисфенол-А-карбоната. Твердое прозрачное аморфное вещество. Выпускается в виде прозрачных гранул.

Поликарбонат (ПК) получают поликонденсацией в расплаве при температуре 230±10⁰С. Для уменьшения вероятности протекания побочных реакций (окисление, деструкция, декарбоксилирование и т.д.) процесс проводят сначала в токе инертного газа, а завершают в вакууме, чтобы полнее удалить низкомолекулярные вещества. Высокие температуры ускоряют процесс, способствуют быстрому удалению побочных веществ и низкомолекулярных продуктов. Расплав выдавливают из реактора в виде ленты, которую затем измельчают. Упаковывают ПК в трехслойные мешки с полиэтиленовым вкладышем или в мягкие контейнеры.

Реакция поликонденсации бисфенола-А с фосгеном:

CH₃ CH₃

| |

n HO-C₆H₅-C-C₆H₅-OH + n COCl₂ → [-O- C₆H₅-C-C₆H₅-O-C-]n,

| | ||

CH₃ CH₃ O

переэтерификации:

n HO-C₆H₄-C(CH₃₎₂-C₆H₄-HO + nC₆H₅-O-CO-O-C₆H₅ 2nC₆H₅-OH + [~О-C₆H₄– C(CH₃₎₂-C₆H₄-О–СО~]n.

Поликарбонат предназначен для изготовления методом литья под давлением и экструзией различных изделий конструкционного и электроизоляционного назначения, применяемых в машиностроении, радио-свето-электротехнике и прочих отраслях промышленности. Устойчив к воздействию водных растворов минеральных и органических кислот, бензина, спиртов, масел, нестоек к действию хлорсодержащих углеводородов жирного и ароматического ряда, диоксана, метакрезола и тетрагидрофурана.

Таблица 1

Техническая характеристика

Наименование

ПК-ЛТ-12

Внешний вид Массовая доля гранул размером 2-8 мм по длине и ширине, %, не более Массовая доля золы, %, не более Массовая доля летучих, %, не более Показатель текучести расплава, г/10мин Разброс показателя текучести расплава в пределах партии, %, не более Показатель текучести при растяжении, МПа, не более Относительное удлинение при разрыве, %, не более Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц, не менее Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц, не менее Электрическая прочность, кВт/м, не более

Гранулы бело-прозрачного цвета 84,5 0,04 0,2 7,1 – 12 ±15 60 55 0,009 2,6 – 3,1 20

Обычное обозначение поликарбоната на российском рынке – ПК или PC. Высокотермостойкий поликарбонат иногда обозначается как PC-HT.

Условное обозначение российского поликарбоната состоит из обозначения химической природы материала: ПК – поликарбонат; букв Л или Э, указывающих рекомендуемый метод переработки: Л – переработка литьем под давлением, Э – переработка экструзией; обозначения добавок в составе марки: Т – термостабилизатор, С – светостабилизатор, О – краситель; числа, соответствующего максимальному показателю текучести расплава: 7,0 или 12 или 18 или 22; цвета и обозначения нормативного документа, в соответствии с которым произведен поликарбонат.

Основными промышленными способами получения поликарбонатов являются:

• фосгенирование бисфенолов в органическом растворителе в присутствии третичных органических оснований, связывающих соляную кислоту — побочный продукт реакции (способ поликонденсации в растворе);

• фосгенирование бисфенолов, растворенных в водном растворе щелочи, на поверхности раздела фаз в присутствии каталитических количеств третичных аминов (способ межфазной поликонденсации);

• переэтерификация ароматических эфиров угольной кислоты (диарилкарбонатов) бисфенолами (способ поликонденсации в расплаве).

Способ поликонденсации в растворе (в среде пиридина или смеси пиридина с метиленхлоридом) и способ межфазной поликонденсации (одна фаза — водно-щелочной раствор бисфенола, другая фаза — метиленхлорид, гептан, дибутиловый эфир и другие растворители, не смешивающиеся с водой) осуществляются при невысокой температуре и дают возможность получать поликарбонат с различными значениями молекулярной массы. Но в каждом из них применяются разбавленный растворы компонентов и поэтому приходится пользоваться аппаратурой большого объема, регенерировать органические растворители и подвергать очистке промывные воды.

Способ переэтерификации обеспечивает получение поликарбонатов повышенной чистоты и не нуждается в применении растворителей, но он обладает меньшей универсальностью в сравнении с предыдущими способами (получается поликарбонат с невысокой молекулярной массой), протекает только при высоких температурах (250-300 °С ) и при использовании особо чистых компонентов, что значительно удорожает сырье.

Под действием повышенной температуры и влаги в процессе переработки может происходить деструкция полимера заключающаяся в реакции гидролиза, при этом происходит пожелтение полимера.

~О-C₆H₄– C(CH₃₎₂-C₆H₄-О–СО~ +Н₂О ~О-C₆H₄– C(CH₃₎₂-C₆H₄-ОН + ~СООН

1.3. Характеристика готовой продукции.

Поликарбонат — бесцветная прозрачная масса с температурой размягчения 180-300°С (в зависимости от метода получения) и молекулярной массой 50000-500000. Характеризуется сравнительно небольшим коэффициентом теплопроводности (0,198 Вт/м·К при 200 ºС и 0,255 Вт/м·К в состоянии расплава), это значение приблизительно такое же, как для полипропилена, но в 2 раза меньше, чем для полиэтилена низкого давления. От коэффициента теплопроводности зависит скорость передачи тепла от стенок пластицирующего цилиндра к полимеру, а также от полимера к стенке формы. Поскольку поликарбонат гигроскопичен, то его необходимо перед переработкой высушивать.

Максимально допустимая температура сушки поликарбоната равна 130 ºС. Для сушки можно использовать сушилки с подвижным и неподвижным слоем, а также вакуум-сушилки. Содержание влаги в перерабатываемом поликарбонате на практике определяет приближенными методами, не требующими специального оборудования и позволяющими установить степень сушки полимера с достаточной точностью.

Имеет высокую теплостойкость - до 153 °С. Термостойкие марки (PC-HT), представляющие собой сополимеры, выдерживают температуру до 160-205°С. Обладает высокой жесткостью в сочетании с очень высокой стойкостью к ударным воздействиям в том числе при повышенной и пониженной температуре. Выдерживает циклические перепады температур от -253 до +100 °С. Базовые марки имеют высокий коэффициент трения. Рекомендуется для точных деталей. Имеет высокую размерную стабильность, незначительное водопоглощение. Нетоксичен. Подвергается стерилизации. Имеет отличные диэлектрические свойства. Допускает пайку контактов. Обладает хорошими оптическими свойствами. Чувствителен к остаточным напряжениям. Детали с высокими остаточными напряжениями легко растрескиваются при действии бензина, масел. Требует хорошей сушки перед переработкой. Поликарбонат обладает высокой химической устойчивостью к большинству неинертных веществ, что дает возможность применять его в агрессивных средах без изменения его химического состава и свойств. К таким веществам относятся минеральные кислоты даже высоких концентраций, соли, насыщенные углеводороды и спирты, включая метанол. Но следует также учитывать, что ряд химических соединений оказывают на материал ПК разрушающее действие (среди полимеров не много таких, которые стойко выдерживают контакт с ними). Этими веществами являются щелочи, амины, альдегиды, кетоны и хлорированные углеводороды (метиленхлорид используют для склеивания поликарбоната). Материал частично растворим в ароматических углеводородах и сложных эфирах.

Несмотря на кажущуюся устойчивость поликарбоната к таким химическим соединениям, при повышенных температурах и в напряженном состоянии листового материала (например, изгиб) они будут действовать как трещинообразователи. Это явление повлечет за собой нарушение оптических свойств поликарбоната. Причем максимальное трещинообразование будет наблюдаться в местах наибольших изгибных напряжений.

Еще одной отличительной чертой поликарбоната является высокая проницаемость для газов и паров. Когда требуются барьерные свойства (например, при ламинировании и применении декоративных виниловых пленок средней и большой толщины от 100 до 200 мкм), необходимо на поверхность поликарбоната предварительно нанести специальное покрытие.

Поликарбонат - не имеет аналогов по механическим свойствам среди применяемых в настоящее время полимерных материалов. Он сочетает такие свойства, как высокая термостойкость, уникальная ударопрочность и высокая прозрачность. Его свойства мало зависят от изменений температуры, а критические температуры, при которых этот материал становится хрупким, находятся вне диапазона возможных отрицательных температур эксплуатации.

Характеристики марочного ассортимента (минимальные и максимальные значения для промышленных марок) представлены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование показателей (при 23 ºС)	Поликарбонат (ПК)	ПК+40% стекловолокна	ПК термостойкий ПК-НТ
Плотность, г/см3	1,19-1,20	1,50	1,14-1,18
Теплостойкость по Вика (50 0С/ч, 50 Н), 0С	95-153	163	158-205
Предел прочности при растяжении (50мм/мин), МПа	-	120	-
Продолжение таблицы 2
Наименование показателей (при 23 ºС)	Поликарбонат (ПК)	ПК+40% стекловолокна	ПК термостойкий ПК-НТ
Предел текучести при растяжении (50мм/мин), МПа	40-67	-	65
Модуль упругости при растяжении (1мм/мин), МПа	2000-2600	10000	2250
Относительное удлинение при растяжении (50мм/мин), %	20-140	2	50-70
Ударная вязкость по Шарпи (образец с надрезом), кДж/м2	8-91	9	6-10
Твердость при вдавливании шарика (358 Н, 30 с), МПа	95-108	-	115
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом	1014-1015	1015	1015
Водопоглощение (24 ч, влажн. 50%), %	0,13-0,4	0,09	0,15
Коэффициент светопропускания для прозрачных марок (3 мм), %	85-89	-	90

Растворяется в метиленхлориде, дихлорэтане. Устойчив к действию водных растворов минеральных и органических кислот, бензина, спиртов, масел, но не стоек к щелочам, концентрированным кислотам, органическим растворителям, к действию хлорсодержащих углеводородов жирного и ароматического ряда, диоксана, метакрезола и тетрагидрофурана. Кроме того, детали с высокими остаточными напряжениями легко растрескиваются при действии бензина и масел. Нежелательно длительное воздействие горячей воды. Не устойчив к воздействию ультрафиолетовых лучей.

По экологическим параметрам поликарбонат не уступает таким материалам, как стекло, а по прочности намного превосходит его. Его свойства

мало изменяются с ростом температуры, а критически низкие температуры, ведущие к хрупким разрушениям, находятся за пределами возможных отрицательных температур эксплуатации.

Одним из уникальных свойств поликарбонатной пленки является ее размерная стабильность, она совершенно непригодна в качестве усадочной пленки; нагревание пленки до 150 °С (т.е. выше точки размягчения) в течение 10 минут дает усадку всего 2%. ПК легко сваривается как импульсным, так и ультразвуковым способами, а также обычной сваркой горячими электродами. Пленку легко формовать в изделия, при этом возможны большие степени вытяжки с хорошим воспроизведением деталей форм. Хорошую печать можно получить разными методами (шелкографии, флексографии, гравировки).

1.4. Физико-химические основы технологического процесса.

Перед переработкой поликарбоната необходима его предварительная сушка. Использование бункерных сушилок исключает повторное поглощение полимером влаги из окружающей среды, при его дальнейшей транспортировке.

Переработка термопластов литьем под давлением заключается в нагреве материала до размягчения и последующего перехода в вязкотекучее состояние в нагревательном цилиндре, и инжекции его в литьевую форму, где материал приобретает необходимую форму и затвердевает. В каналах литьевой формы циркулирует охлаждающая вода заданной температуры.

Рассмотрим механизм пластикации поликарбоната (ПК) в цилиндре литьевой машины. В материальном цилиндре литьевой машины при перемещении материала от бункера к соплу происходит его перемешивание, расплавление, прогревание. Червяк может быть условно разделен на три зоны: зону загрузки, зону пластикации и зону дозирования.

В зоне загрузки твердые частицы материала захватываются витками червяка и транспортируются вперед: коэффициент трения материала о стенки цилиндра должен превышать коэффициент трения материала о червяк. Смешение материала происходит уже в зоне загрузки в результате смешения слоев, производительность зоны зависит от геометрических параметров червяка.

В зоне пластикации по мере продвижения вдоль цилиндра ПК разогревается и размягчается. В этой зоне материал плавится и из твердого состояния переходит в вязкотекучее. Здесь материал поначалу состоит из твердых гранул и расплава. При движении вдоль червяка в зоне пластикации твердые частицы смешиваются с расплавом и вовлекаются вместе с ними в винтовое движение. Прежде всего расплавляются материал вблизи толкающей кромки винтовой нарезки червяка. Остальная часть канала остается заполненной гранулированным материалом. В следующих витках зона расплавленного материала в сечении канала увеличивается, повышается его уплотнение.

В зоне пластикации материал находится полностью в вязкотекучем состоянии. В этой зоне материал стабильно разогревается и приобретает заданную температуру. Циркуляция расплава в каналах червяка создает условия для качественного перемешивания.

Суммарный поток материала в зоне дозирования складывается из четырех потоков: основного – вызванного вращением червяка относительно поверхности цилиндра, обратного – возникающего под действием градиента давления, поперечного – возникающего в нормальном сечении канала червяка и обеспечивающего смешение материала, а также потока утечек между гребнями витка червяка и внутренней стенкой цилиндра.

Параметры переработки ПК:

- температура материального цилиндра по зонам, ⁰С:

1. 220±20

2. 260±10

3. 280±10

- температура пресс-формы 100±5⁰С;

- давление литья 70 – 150 МПа.

Технологический процесс получения изделий из ПК методом литья под давлением характеризуется такими стадиями, как поступление сырья, сушка, непосредственно получение пластмассовых изделий, механическая обработка, контроль и упаковка готовой продукции, отгрузка готовой продукции.

1.5. Описание технологической схемы производства

Технологическая схема производства состоит из следующих операций:

• Транспортирование и хранение;

• Подготовка сырья;

• Литье под давлением;

• Механическая обработка;

• Контроль и упаковка;

• Дробление литников и брака;

• Упаковка вторичного ПК в мешки.

Сырье в мягких контейнерах доставляется на цеховый склад сырья электропогрузчиком (ЭП). Затем мягкие контейнеры с помощью электроштабелера (ЭШ) и тележки (Т) транспортируются к растаривающему устройству. При поступлении сырья необходимо проверить наличие сопроводительного документа на исходный материал, убедится по маркировке на этикетке, что доставлен материал требуемой марки и партии. Внешним осмотром проверить качество сырья. Материал должен быть чистым, без примесей гранул других материалов.

После растаривания технологические контейнеры с поликарбонатом транспортируются на тележке (Т) к автозагрузчику (АЗ). Поликарбонат автозагрузчиком подается на сушку в бункерную сушилку (БС), установленную на бункере литьевой машины на 2-3 ч. при температуре 110-120⁰С. Для поликарбоната сушка строго обязательна, поскольку в противном случае значительно ухучшаются его прочностные свойства. Кроме того, изделия из невысушенного ПК имеют весьма неприглядный внешний вид из-за образующихся на них полос и пузырьков. После достижения влагосодержания материала не более 0,01% сушку прекращают. На литьевой машине (ЛМ) осуществляется изготовление деталей и начинается цикл работы машины:

- смыкание литьевой формы;

- подвод узла впрыска;

- впрыск материала в литьевую форму;

- выдержка материала под давлением в литьевой форме

- выдержка материала в литьевой форме при охлаждении

- отвод узла впрыска;

- размыкание литьевой формы;

- снятие детали.

Затем идет проверка внешнего вида детали согласно эталону визуально, удаление литника вручную, и осуществляется контроль на растрескивание. При этом детали откладываются на несоответствующую продукцию. Контроль осуществлять на холодных деталях.

Качественные детали складываются в технологический контейнер и отправляются на механическую обработку (МО), а затем их отправляют на контроль и упаковку (КиУ). Упакованные детали увозят с помощью электропогрузчика (ЭП) на склад готовой продукции. Брак и отходы от поз. (ЛМ), (МО) и (КиУ) отправляются на тележке (Т) на дробление (Д). Дробленые отходы отправляются на цеховой склад вторичного сырья.

1.6 Нормы технологического режима и контроль производства

Для производства качественной продукции необходимо осуществлять непрерывный контроль производства, включающий в себя: проверку на соответствие нормам исходного сырья, оснастки, контроль соблюдения технологических режимов переработки, контроль качества готовой продукции. Состав, нормы на параметры, последовательность и планы контроля изделий в процессе производства устанавливаются в технологической документации.

Входной контроль ПК проводится для определения параметров его перерабатываемости, а также для определения соответствия его характеристик требованиям ТУ 6-06-68-89. При входном анализе происходит определение основных механических, теплофизических, электрических и технологических свойств сырья.

Проверка оснастки на соответствие нормам проводится по стандарту предприятия. Стандарт предприятия устанавливает технические требования, правила приёмки и испытания литьевых форм, методы контроля, правила эксплуатации, маркировки, упаковки, транспортирования и хранения, требования безопасности. Контроль соблюдения технологических режимов переработки осуществляется рабочими, мастерами и технологами при помощи измерительных приборов и средств автоматизации.

Контроль качества готовой продукции проводится в отделе технического контроля при помощи универсального мерительного инструмента или калибров в соответствии с правилами приёмки и методами контроля. Технологический контроль качества продукции по стадиям процесса производства деталей приведён в табл. 3.

Таблица 3

Технологический контроль качества продукции

Наименова-ние стадий процесса	Контроли-руемый параметр	Частота	Нормы и технологи- ческие показатели	Методы испытаний и средства контроля	Кто контроли- рует
1. Транспор- тирование и хранение. Входной контроль	Внешний вид, чистота, размеры гранул исходного сырья	Каждая новая партия	Гранулы одного цвета диаметром до 6-8 мм.	Визуально	Контролёр ОТК
	ПТР	Каждая новая партия	10-12 г/10мин	Методом капиллярной вискози-метрии	Лаборант
2. Сушка	Температу-ра	2 раза в смену	110-1200С	По прибору контроля	Аппаратчик сушки
Продолжение табл. 3
Наименова-ние стадий процесса	Контроли-руемый параметр	Частота	Нормы и технологи- ческие показатели	Методы испытаний и средства контроля	Кто контроли- рует
3. Литьё под давлением	Температура зон цилиндра и инжек-ционной части	2 раза в смену	Т1=230-2400С Т2=270-2800С Т3=280-2900С Т4=290-3000С Т5=290-3000С	По прибору контроля	Литейщик
	Время выдержки под давлением и охлажде-нием	2 раза в смену	Согласно технологии	По прибору контроля	Литейщик
	Давление	2 раза в смену	Согласно технологии	По прибору контроля	Литейщик
	Частота вращения червяка	2 раза в смену	40-80 об/мин	По прибору контроля	Литейщик
4. Термичес-кая обработка	Температу-ра	2 раза в смену	110-1200С	По прибору контроля	Аппаратчик сушки

Продолжение табл. 3
Наименова-ние стадий процесса	Контроли-руемый параметр	Частота	Нормы и технологи- ческие показатели	Методы испытаний и средства контроля	Кто контроли- рует
5. Контроль и упаковка	Прозрач-ность	Каждую партию	Согласно эталону	Визуально	Контролёр
	Длина, ширина, высота	Каждую партию	Согласно эталону	Скоба, высотка, линейка со щупом	Контролёр
	Размеры отверстий детали.	Каждую партию	Согласно эталону	Гладкие пробки, щупы, индикатор.	Контролёр
6. Дробление	Внешний вид	Посто- янно	Отсутствие металлических включений, посторонних предметов, грязи, примесей другого материала.	Визу- ально	Дробиль- щик
	Размер измельчён-ной крошки	1-2 раза в смену	Содержание частиц размером 2-7 мм, не

Код для цитирования: Скопировать