X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Ротационное формование (rotomolding), называемое также ротационным литьем, было изобретено более 50 лет назад, однако свое второе рождение переживает в наше время и занимает важное место среди основных методов переработки полимерных материалов. Причем в последнее десятилетие получен ряд значительных технологических преимуществ данного метода формования, появляется высокопроизводительное оборудование, новые коммерческие марки и композиции полимерных материалов для ротационного формования, открываются новые важные сферы рынка.

Процесс ротационного формования относительно прост, что позволяет активно воздействовать на него и добиваться получения высококачественных изделий конкурентно способных по ценам и потребительским свойствам. Ротационное формование является одним из наиболее быстро развивающихся методов изготовления изделий из полимеров, применение которого увеличивается на 25-30% в год.

Получаемые изделия. Данная технология применяется для получения крупногабаритных изделий, а также товаров народного потребления и деталей машиностроения, деталей приборов и корпусных деталей мебели, лодок и многого другого.

Однако основным преимуществом является возможность изготавливать бочки, баки, цистерны, поддоны (паллеты), контейнеры, короба, дорожные тумбы, втулки, трубы и многое другое (см. рисунок 1).

а)	б)
Рисунок 1. Изделия, изготовленные методом ротационного формования

Методом ротационного формование можно получать изделия с многослойными стенками из нескольких полимеров, а также заформовывать в изделия различные детали и высококачественные графические изображения. Однако в процессе переработки следует учитывать различные коэффициенты объемного термического расширения, что может привести к расслоению изделия. Ротационное формование позволяет производить изделия объемом до 10 000 л с толщиной стенок 0,8 - 20 мм.

Последние разработки позволили применять предварительно окрашенные полимеры, которые могут быть использованы в качестве декоративных слоев для вторичных пластмасс и пены. Впрыск полимерной пены между твердыми стенками придает крупногабаритным изделиям прочность и жесткость. Различные декоративные элементы типа этикеток, получаемые непосредственно в процессе формования, могут создать элементы отделки, устойчивые к истиранию и износу.

Сырьевые материалы. Методом ротационного формования можно перерабатывать практически любое сырье, которое переходит в вязкотекучее состояние, является жидкостью или же пастой (пластизоли). Для переработки используют порошки или гранулы термопластов и реактопластов, термореактивные олигомеры и даже мономерные композиции с инициаторами или катализаторами полимеризации.

В настоящее время для переработки методом ротационного формования используются в основном несколько видов термопластов: наполненный техническим углеродом полиэтилен (ПЭ), полиамид (ПА), поликарбонат (ПК), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ, ПЭТ). Доминирующую роль среди материалов для ротационного формования играет полиэтилен. По данным ARM (Международной ассоциации ротационного формования) на долю полиэтиленовых изделий приходится от 85 до 95% рынка. Применяется ПЭ низкого, среднего, высокого давления, пространственно сшиваемый ПЭ. Наибольшее количество изделий выпускается из линейного полиэтилена низкого давления. Достоинства ПЭ — высокая термостабильность, легкая перерабатываемость гранул в порошок, относительно низкая стоимость.

На долю других полимеров приходится от 5 до 15% рынка. Среди этих полимерных материалов лидирующую роль занимают ПВХ - пластизоли, объем производства которых достаточно велик и имеются марки, специально предназначенные для ротационного формования. Разработана, например, специальная марка полиэтилена, показатель текучести расплава которой при переработке уменьшается с 5 до 1,5. Этот материал характеризуется повышенным значением ударной вязкости при низких температурах (до -30 °С). Для ротационного формования разработаны также специальные марки полиамидов, поликарбонатов, полипропилена, полистирола.

Возможно изготовление этим методом изделий из термореактивных полимеров — полиуретанов, эпоксидных композиций и др., а также совмещение процесса полимеризации и формования (например, при полимеризации капролактама). В этом случае в форму загружают композицию на основе капролактама и катализатор.

В процессе ротационного формования происходит полимеризация. Из смесей полимеров, отличающихся друг от друга значениями температуры плавления, получают двухслойные изделия с различными свойствами слоев. Для предотвращения окисления некоторых термопластов (например, полиамидов) в форму нагнетают инертный газ. Иногда ротационное формование осуществляют с использованием жестких вкладышей и вставок.

Для модификации свойств материалов, перерабатываемых ротационным формованием, широко используются различные добавки — термо-и светостабилизаторы, вспенивающие агенты, наполнители (в т. ч. и волокнистые), антистатические добавки, пламягасители, вспенивающие агенты и др. Возможно применение наполнителей и стекловолокна. В России конкурентоспособное по ценам и качеству сырье, пригодное для ротационного формования, в настоящее время не производится, кроме ПЭ и ПВХ.

Сущность метода. Процесс ротационного формования отличается простотой и включает три основных стадии (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема ротационного формования:

I – дозирование сырья; II – нагревание формы и формование изделия;

III – охлаждение и извлечение изделия

На первой из них I в холодную форму, представляющую собой полую раковинообразную конструкцию, загружается определенное количество полимерного материала.

Далее (стадия II) герметично закрытую форму помещают в камеру нагрева, где и происходит собственно процесс формования. При этом с помощью соответствующих устройств форма приводится во вращение относительно двух осей. При вращении с относительно невысокой частотой расплавленный полимер распределяется по стенкам формы, а одновременный нагрев формы способствует его расплавлению с образованием тонкого покрытия в виде оболочки.

Выбор частоты вращения формы необходимо согласовывать со скоростью нарастания вязкости, иначе возможно образование так называемого «болота» - скопление расплава полимера в нижней части формы. Если скорость полимеризации, а, следовательно, скорость нарастания вязкости велики, то при низких частотах вращения весь полимер не сумеет из «болота» равномерно распределиться по поверхности формы. Как правило, частота вращения форм при использовании жидких компонентов в 1,5-2 раза выше, чем при формовании изделий из твердых веществ.

Последняя стадия III заключается в охлаждении формы с отформованным изделием, которое может осуществляться с помощью холодного воздуха или водяного тумана; при этом форма продолжает вращаться для полного и равномерного затвердевания полимера по всей поверхности формы. После завершения охлаждения форма раскрывается и готовое изделие извлекается из нее; благодаря усадке материала при охлаждении изделия процесс извлечения не вызывает затруднений.

Процесс происходит при атмосферном давлении, условия формования исключают значительные нагрузки на стенки оснастки, поэтому формы для ротационного формования могут иметь тонкие стенки и относительно дешевы. Объем формуемых изделий определяется размерами камеры нагрева и может достигать нескольких кубометров. Для обогрева форм используется горячий воздух (электрические нагреватели) или сжигаемый природный газ.

Применяемое оборудование. Выбор оборудования для ротационного формования определяется конфигурацией и размерами изделия, типом материала и серийностью производства. Оборудование для ротационного формования весьма разнообразно — от простых устройств типа стаканов с одной осью вращения, служащих, как правило для изготовления емкостей с открытой горловиной из смесей жидкости и порошка, до карусельных систем с большим количеством форм, служащих для изготовления небольших изделий, или челночного оборудования для изготовления крупногабаритных изделий.

Наиболее широко применяются одно-, трех- и четырехшпиндельные установки непрерывного и периодического действия (см. рисунок 3).

а)	б)
Рисунок 3. Устройство для двухосного вращения форм: а — 4-шпиндельная установка; б — одношпиндельная для крупноразмерного изделия.

Формы крепятся на рычагах, так называемой «руках», которые осуществляют вращение формы и перемещают ее из одной зоны в другую. Чаще всего для повышения производительности используют многогнездные машины карусельного типа с тремя или четырьмя «руками». Это позволяет увеличить производительность, сократить расход тепла и получать несколько разных изделий одновременно. Предусмотрена возможность подачи сжатого воздуха или инертного газа в форму через валы «руки».

Каждая «рука», на которой смонтировано несколько форм, находится в соответствующей зоне технологического цикла: на первой позиции происходит подготовка формы и загрузка исходного материала. В камере нагрева осуществляется формование изделия и его выдержка, после чего форма, пройдя промежуточную позицию, поступает в камеру на охлаждение. Время нахождения «руки» в определенной зоне определяется временем формования самого трудоемкого изделия, после чего производится одновременное перемещение «рук» в следующую зону технологического цикла. Такая конструкция позволяет добиться производительности до 500 изделий в час.

Схема ротационной установки показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема ротационной установки карусельного типа.

Общий вид установки для ротационного формования карусельного типа показан на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. Установка для ротационного формования карусельного типа.

Рисунок 6. Ротационная машина карусельного типа.

Для получения длинномерных изделий, когда длина изделия существенно больше ширины, например, лодок, используют машины типа «rock & roll». В таких машинах одна из осей совершает колебательное (качательное) движение, а вторая - вращательное. Качательный процесс вместо полноценного вращательного значительно снижает мобильность порошкового сырья внутри формы, для более эффективного использования энергии проектируются в виде горячевоздушных печей. Общий вид установки для ротационного формования типа «rock & roll» показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Ротационная машина типа «rock & roll».

Преимущества и недостатки метода. К преимуществам ротационного формования, по сравнению с другими методами получения полых изделий, относятся простота изготовления и дешевизна оснастки, возможность варьирования толщины стенки (вплоть до 15-20 мм), возможность образования отверстий в стенке изделий или локальное изменение толщины стенки за счет изменения теплопроводности стенки формы, очень низкий уровень остаточных напряжений в готовом изделии, практически полное отсутствие отходов и затрат на дополнительную механическую обработку готовых изделий, низкая стоимость оснастки и, как следствие, экономичность процесса. Отформованные изделия имеют гладкую поверхность без сварных швов, снижающих прочность изделий. При этом наиболее прочными являются углы и кромки изделия, которые обладают наименьшей прочностью при раздувном и пневмовакуумном формовании.

Недостатками процесса являются длительность цикла формования и трудоемкость извлечения полученного изделия из формы, ограниченный выбор материалов и их относительно высокая стоимость (необходимость размола, дополнительные требования по упаковке и др.), низкий уровень размерной точности готовых изделий и сложности в формировании ребер жесткости изделия.

Заключение. Ротационное формование является универсальным способом переработки полимерных материалов, позволяющим производить высококачественную конкурентоспособную товарную продукция для различных сфер применения. Промышленность ротационного формования находиться в стадии роста. Россия находится только на стадии формирования рынка, возможности ротационного формования, потребительские свойства изделий, получаемых ротационным формованием малоизвестны. Отсутствие отечественной сырьевой базы является одной из основных причин, тормозящих развитие процесса ротационного формования в России.

Список литературы

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

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

3. Дж.Л. Уайт, Д.Д. Чой Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины / пер. с англ. яз. под. ред. Е.С. Цобкалло – СПб.: Профессия, 2006. – 256 стр., ил.

4. Е.А. Брацыхин, Шульгина Э.С. ''Технология пластических масс'' Учебное пособие для техникумов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1982. – 328 с., ил.

5. Коршак В.В., Кутепов Д.Ф. и др. 'Технология пластических масс – М.: Химия», 1976 – 608 с.

6. Власов С.В., Кандырин Л.Б., Кулезнев В.Н. и др. 'Основы технологии переработки пластмасс – М.: Химия, 2004 – 600 с.

Код для цитирования: Скопировать