ВВЕДЕНИЕ

Проблема рационального изготовления и применения тары и упаковки имеет большое значение для экономики страны, т.к. тара и упаковка облегчает транспортирование, хранение, реализацию продукции. Практически отсутствуют отрасли промышленности, сельского хозяйства, транспорта и торговли, в которых не использовались бы различные виды потребительской, транспортной, производственной тары.

Еще в 70-е годы прошлого века сформировалась устойчивая тенденция вытеснения природных материалов пластмассами в секторе изготовления и потребления упаковки и транспортной тары. Особенно широки возможности полимеров при изготовлении потребительской тары.

Основным потребителем полимерной тары являются отрасли промышленности, производящие продукты питания, и, что самое важное, использование полимерной тары в этих отраслях способствует не только интенсификации существующих процессов фасовки и упаковывания, но и вносит коренные изменения в технологию пищевых производств. При этом расширяется ассортимент и улучшается качество пищевых продуктов, обеспечивается возможность не только упаковывания, но и частичного приготовления продуктов питания, выпуска их в порционной форме.

Применение полимерной упаковки обеспечивает снижение естественной убыли продуктов питания и повышение производительности труда в торговле. Реализация фасованных товаров в торговой сети обеспечивает экономию приведенных затрат и способствует переходу к прогрессивным методам торговли [1].

В настоящее время все более экономически оправданным становится использование и вторичная переработка одноразовой полимерной тары. Например, по данным на 1995 год в Германии применяется 65-70 млрд. ед. одноразовой упаковочной тары/год, что обеспечивает экономию других материалов, облегчает вес упаковки, уменьшает объём отходов и потребность в первичном сырье при вторичной переработке тары [2].

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Характеристика готовой продукции

Проектируемые изделия – одноразовая упаковка для пищевых продуктов, которые подлежат хранению в холодильниках. Ассортимент продукции и ее годовая производительность по каждому виду изделия представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Ассортимент продукции и ее годовой выпуск

Наименование изделия	Материал	П, шт/год	G, кг/год
Банка – 1	Полистирол общего назначения марки 525 ТУ 2214-126-05766801-2003	200000	1600
Крышка -1		200000	600
Банка - 2		200000	2540
Банка - 3		200000	1400
Банка - 4		200000	1460
Банка - 5		200000	2820
Банка -6		200000	2000
Банка - 7		200000	1620
Крышка - 2		200000	680
Крышка -3		200000	840
ИТОГО:		2000000	15560

Технические условия распространяются на потребительскую тару, предназначенную для упаковки пищевых продуктов, изготовляемую из полистирольной ленты методом термоформования.

Технические требования: Упаковка должна соответствовать требованиям технических условий.

Основные параметры и размеры:Конструктивные размеры и художественное оформление упаков­ки согласовываются с потребителем.

Характеристики: Упаковка должна изготавливаться методом термоформования, в основу которого заложена возможность термопластов приобретать при дозированном нагреве пластичность, облегать под действием вакуума и атмосферного давления наружную по­верхность модели и при последующем охлаждении, сохранив приобретённую форму, восстанавливать первоначальные меха­нические характеристики.

По внешнему виду и санитарно—химическим показателям упа­ковка должна соответствовать требованиям и нормам, указан­ным в таблице 2.

Таблица 2 – Санитарно-химические показатели пластиковой упаковки

Наименование показателя	Норма	Метод испытания
Внешний вид	Отсутствие рисок, царапин, отверстий	Визуально
Санитарно-техническая оценка: - Запах и привкус водной вытяжки, балл, не более - Общее количество органических веществ,мг/л, не более - Миграция Feв 2% растворе лимонной кислоты, 3% растворе молочной кислоты, 1% растворе уксусной кислоты	1 3 0,3	ГОСТ R50962-96 Инструкция №880-71 Инструкция №880-71
- Миграция олефинов в 2% растворе лимонной кислоты, 3% растворе молочной кислоты, 1% растворе уксусной кислоты Индекс токсичности, % Миграция в водную среду, мг/м3	0,01 В пределах 80-120 -	Инструкция №880-71 МУ 1.1.0-037-95

Примечание: Показатели по п.2 определяются в соответствии с «Инструкцией по санитарно-химическому исследованию изделий, изготовленных из полимерных и других синтетических материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами»№ 880—71.

Маркировка: коробка, в которую укладываются изделия должна быть снабжена ярлыком и указанием:

- наименования продукции;

- количества упаковок;

- даты изготовления;

- обозначения ТУ;

- наименования предприятия-изготовителя или его товарного знака;

-информации о сертификации.

Упаковка: Упаковка, в виде готовых изделий, укладывается в картонную коробку с полиэтиленовым гигиеническим вкладышем до полного заполнения объема. Готовую продукцию перевязывают шпагатом по ГОСТ 17308-70 или шпагатом вискозным, шпагатом полипропиленовым из пленочной нити либо заклеивают липкой полимерной лентой (скотчем).

Правила приемки: Упаковка в виде готовых изделий должна предъявляться к сдаче партиями. Партией считается количество изделий, наработанных за одну смену, но не менее 250 шт., одного наименования, размера и оформ­ленное одним документом о качестве, содержащим:

- наименование предприятия - изготовителя или его товарный знак;

- наименование - номер партии;

- количество изделий в партии;

- дату изготовления;

- обозначения настоящих технических условий;

- показатели качества изделия по проведенным испытаниям;

- штамп предприятия.

Для проверки соответствия упаковочных изделий требова­ниям технических условий и контроля качества проводят приемо-сдаточные испытания по показателю «внешний вид» - на соответствие об­разцу эталону. Для контроля отбирают 6 изделий от партии или не менее пяти образцов.

Санитарно-химическую оценку по показателю 2 таблицы 2проводят не реже одного раза в 12 месяцев.

При получении неудовлетворительных результатов испыта­ний по одному из показателей проводят повторные испытания изде­лий по данному показателю от удвоенного количества упаковок. Результаты повторных испытаний распространяются на всю партию.

Транспортирование и хранение: Упаковочные изделия (тара) транспортируют всеми видами транс­порта в соответствии с правилами перевозок, действующими на данном виде транспорта, обеспечивающими сохранность их от воздействия атмосферных осадков и механических повреждений.

Упаковочные изделия должны храниться в закрытом чистом помещении на расстоянии одного метра от отопительных приборов.

Изготовитель гарантирует соответствие упаковочных изделий данным техническим условиям при соблюдении условий транспортиро­вания и хранения. Срок хранения изделий — 6 месяцев с момента изготовления.

Требования безопасности. Требования техники безопасности производства упаковочных из­делий должны соответствовать ГОСТ 12.2.003—89.

Обоснование выбора сырья

Самые популярные вещества, применяемые при производстве одноразовой

посуды – полипропилен и полистирол.

На каждом пластиковом изделии производители ставят стандартизированную во всех странах мира маркировку, обозначающую материал, из которого оно изготовлено. Такие обозначения можно найти на дне продукции или на упаковке, в которую заворачивается продукт. Внешне маркировка являет собой треугольник, внутри которого стоит цифра, а под ним – несколько букв, обозначающих вещество.

Полипропилен:это вещество, которое образуется в ходе полимеризации пропилена. Процедура проходит с использованием катализатора для ускорения химической реакции. Например, нередко используется катализатор Циглера-Натта. В целом, для получения этого пластика используются те же параметры веществ, что и при производстве полиэтилена. А если использовать разные катализаторы, можно получить различные виды полимера.

Полипропилен - полимер, из которого изготавливается большинство одноразовых изделий для приема пищи, в особенности, пластиковые стаканчики. Его характерная особенность – способность выдерживать высокие температуры. Он пригоден для продуктов, температура которых находится в пределах между +4 и +100 градусов.

Стандартная маркировка этого вида пластика – треугольник, внутри которого находится цифра 5, а под ним размещается буквенный код PP. Но производители могут убирать некоторые элементы. Поэтому если на дне пластикового изделия будет находиться только цифра или буквы, то ничего не меняется.Ещё одно преимущество – возможность в посуде из него (например, судочках) разогревать продукты в микроволновой печи, а также мыть в посудомоечной машине. То есть, изделия из полипропилена имеют более похожие на обычную посуду потребительские характеристики.При этом нельзя хранить еду в посуде из такого пластика в морозильной камере. Этот вид полимеров при минусовых температурах становится хрупким и трескается.

Полистирол:это полимер, который образуется путем химической обработки стирола. Есть несколько видов этого вещества: эмульсионный (он остался в истории), суспензионный (используется для создания пенополистирола) и блочный, который является наиболее распространенным.

Материал маркируется цифрой 6 и буквенным обозначением PS. Способен выдерживать больший диапазон температур, но его нельзя использовать для приготовления растворимого кофе, нагревания еды в микроволновой печи. Максимальная температура, для которой он предназначен – 90 градусов. Также такую посуду нельзя мыть в посудомоечной машине.

Полистирол – это пластиковый аналог стекла, который, к тому же, не может разбиться. Хотя он и предназначен для температур до 90 градусов, если его залить горячим, он начинает выделять в воду яды, способные провоцировать развитие раковых клеток. Также вредные вещества при нагревании пластика выделяются в воздух, способствуя их попаданию в организм через легкие. Поэтому посуду из полистирола лучше использовать для хранения холодных продуктов, в том числе, и замороженных. Минимальная температура, при которой можно хранить продукты – -45 градусов.

Этот материал обычно используется для производства пластиковых тарелок.

Полипропилен и полистирол – это материалы, из которых чаще всего изготавливают пластиковую посуду. Оба вещества неплохо себя чувствуют при высокой температуре, хотя с определенными поправками. И оба можно использовать для хранения пищевых продуктов.

Основная разница между этими материалами – требования к условиям эксплуатации. Полипропилен лучше использовать для теплых и горячих продуктов. Он более безопасен при использовании для того, чтобы попить чай или поесть суп.

Полистирол лучше подходит для хранения холодных блюд. Например, если кто-то решил приготовить домашнее мороженое, то его нужно класть в контейнер из полистирола.

Полипропилен полностью безопасный. При этом даже изделия из этого вещества можно применять не больше одного раза. Иначе начинают выделяться вредные вещества: формальдегид, свинец и другие. Они не содержатся в самом пластике, но их применяют для того, чтобы сделать одноразовое изделие крепче.

Полипропилен и полистирол являются взаимодополняемыми видами пластика. Один лучше подходит для горячих температур, другой – для холодных. Все зависит от цели, для которой пластиковое изделие будет применяться. Для горячего шашлыка не подойдут тарелки из полистирола, но их можно применять для блюд, которые можно употреблять холодными.

При этом не рекомендуется использовать одноразовые стаканчики из полипропилена для употребления спиртных напитков. Вместе с алкоголем пластик вступает в реакцию, в результате которой выделяются фенолы, которые наносят вред организму.

На проектируемом производстве планируется выпуск продукции для фасовки кисломолочных продуктов – таких как сметана и йогурты, которые обычно хранятся в холодильнике, поэтому для их изготовления используется полистирол.

Характеристика выбранного сырья

В последние годы, в связи с повышением уровня обслуживания в торговле, отмечается стойкая тенденция развития спроса на полимерную упаковку различных пищевых продуктов, в том числе на упаковку для молочных, кисло–молочных продуктов.

Из всех марок полистирола, для производства проектируемых изделий, принимаем полистирол общего назначения (ПСОН). Полистирол общего назначения производится блочной полимеризацией стирола в массе. Предназначен для производства методами литья под давлением, экструзией и термоформования изделий технического и бытового назначения, в том числе и для упаковки пищевых продуктов, изделий, контактирующих с холодными и горячими до 80 градусов продуктами, а также игрушек.

Из всего марочного ассортимента ПСОН принимаем марку 525 – марка для изготовления изделий методом литья под давлением и получения покрытий совместной экструзией. Применяется для изготовления изделий медицинского и лабораторного назначения, чашек и ювелирных шкатулок. Реология расплава данного полимера позволяет получить покрытия чашек, тарелок и прочей одноразовой посуды.

Полистирол общего назначения и ударопрочный должен соответствовать техническим условиям и изготовляться по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

Исходные компоненты, применяемые для изготовления полистирола, должны иметь паспорта качества предприятий-поставщиков, подтверждающие соответствие их качества требованиям нормативной документации.

Показатели качества полистирола общего назначения должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 3.

Таблица 3 – Показатели качества полистирола марки 525

Показатель	Значение	Метод испытания
Показатель текучести расплава г/10 мин, при 200°С на 5 кг нагрузки, в пределах	9,0±2,0	ASTM D-1238
Температура размягчения по Вика, °С, не ниже	92,0	ASTM D-1525
Прочность при разрыве, МПа, не менее	37,0	ASTM D-638
Прочность при изгибе, МПа, не менее	80,0	ASTM D-790
Массовая доля остаточного стирола, %, не более	0,05	ТУ на материал

Форма выпуска: гранулы.

Упаковка: бумажные, полиэтиленовые или полипропиленовые мешки.

Транспортировка: всеми видами транспорта в крытых транспортных средствах. Продукт, упакованный в мягкие контейнеры, может транспортироваться в открытом подвижном составе.

Хранение: в крытом помещении на полке или на поддонах, отстоящих от пола не менее 5 сантиметров, и отопительных приборов не менее чем на 1 метр, в условиях, исключающих прямое воздействие солнечного света.

Полистирол, применяемый для изготовления изделий, контактирующих с пищевыми продуктами и игрушек, должен соответствовать требованиям ГН 2.3.3.972-00 «Предельно допустимые количества химических веществ, выделяющихся из материалов, контактирующих с пищевыми продуктами». Применение полистирола для изготовления изделий, контактирующих с пищевыми продуктами и игрушек, должно быть разрешено органами Роспотребнадзора.

Определение гигиенических показателей проводят органы Роспотребнадзора в аккредитованной лаборатории при постановке продукции на производство и 1 раз в полгода при выпуске серийных партий.

Обоснование выбора метода переработки

При выборе метода переработки исходят главным образом из экономичности способа, его оптимальности на основе технологических свойств перерабатываемого материала, производительности.

Комплекс физико-механических, химических и диэлектрических свойств полистирола позволяет широко применять этот материал во многих отраслях промышленности[9].

В настоящее время изделия из пластических масс производят весьма разнообразными методами. При этом выбор метода изготовления изделий обусловлен видом полимера, его исходным состоянием, а также конфигурацией и габаритами изделия. Изделия из расплавов и растворов термопластичных полимеров изготавливают экструзией, литьем под давлением, каландрированием, выдуванием, спеканием, напылением.

Можно выделить группу методов переработки пластмасс: экструзия, литье под давлением, каландрирование, поскольку в процессе формообразования изделия протекают одинаковые физические превращения.

Исходя из конструктивных особенностей деталей и свойств материалов такие детали, как части приборов (корпуса, элементы крепления и др.) целесообразнее получать методом литья под давлением.

Литье под давлением - наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс. Процесс изготовления изделий основан на заполнении формующей полости формы расплавом с последующим его уплотнением за счет давления и охлаждением. 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 - высокопроизводительный метод переработки пластмасс[2].

Профильные детали, как правило, получают с использованием экструдеров и валковых машин. На проектируемом участке все детали являются штучными, поэтому данные методы переработки так же являются неподходящими.

Штучные изделия изготавливаются из термопластов методом литья под давлением, экструзионно-выдувным формованием и термоформованием из листовых заготовок. Реактопласты перерабатываются в штучные изделия прессованием.

Если на предприятии предполагается выпускать штучные тонкостенные изделия различного ассортимента из термопластов, то наиболее предпочтительным является метод термоформования.

В настоящее время мировая промышленность пластических масс является свидетелем настоящего переворота в ассортименте полимеров, задействованных в секторе упаковки. Ситуация свидетельствует о тенденции вытеснения в этом секторе полипропиленом прозрачных ПС и ПВХ.

Хотя случаи применения изотактического полипропилена для получения упаковочной тары известны уже давно (в частности, уже в 1967 компания SpenserChemical изготавливала предметы домашнего обихода из полипропилена poli-pro™ [3]), создание новых металлоценовых катализаторов стереоспецифического действия позволило существенно увеличить число марок ПП, а, следовательно, и расширить области применения этого полимера. В последние годы формованием стали выпускаться недорогие изделия высокого качества (контейнеры для сыров и масел, стаканы для воды и фруктовых соков, посуду для микроволновых печей).

Совершенствуется оборудование и технологии формования. Так, например, фирма Aristeoh, перерабатывает свои собственные типы ПП (в частности нуклеированные) на машинах серии FT-021-T и TJ-4020-N. PinaChemical выпускает серии 3289 М с улучшенной стабильностью и текучестью расплава, высокой прозрачностью для тонкостенного формования с равномерной толщиной на 8-гнездных машинах. Epsilon производит ПП серии У 1403 с повышенной кристалличностью, прочностью и оптическими свойствами. Эти фирмы расширяют мощности по ПП для термоформования изделий из листов. Фирма Amoko (США) внедрила семейство высокопрозрачный марок Acclear-8249, из ПП марки Actuff-3119X формуют посуду для микроволновых печей, замораживания. DSM (Голландия) выпустила семейство Stamylan P. для двухстенного формования пищевых контейнеров из пары нуклеированных листов. Montell производит нуклеированныеAdstiff 6080 ADPX, близкие по твердости к УПС и одновременно с улучшенными барьерными свойствами к влаге и О₂, Cryell— для триадно- стеночного формования и замены ПВХ. Новые типы ПП выпускают фирмы EXXON (США), Targor (Германия), PCD—Австрия.

Получение готовых изделий осуществляется методом термоформования, т.к. только он экономически целесообразен для получения тонкостенных изделий [5], и характеризуется очень высокой производительностью (современные ТФМ формуют до 6000-7000 изд./час).

Физико-химические основы технологического процесса

Придание заданной конфигурации изготавливаемой детали производится или при переводе полимера в высокоэластическое состояние, или при температуре выше температуры текучести при растяжении пластика под воздействием нормальных напряжений [2]. Так как в области высокоэластического состояния деформации обратимы, то в отформованном изделии наблюдаются релаксационные процессы, причем их скорость тем больше, чем выше температура, при которой эксплуатируется изделие. Релаксационные процессы, протекающие в изделии, могут привести к изменению формы изделия, особенно при повышенной температуре [2, 6, 8].

«Формоустойчивость» изделия в процессе эксплуатации определяется температурой формования и степенью вытяжки листа при формовании. Температура формующего инструмента (матрицы, пуансона, прижимных рам) должна быть ниже температуры размягчения полимера [2, 5]. Излишнее снижение температуры

способствует росту дефектности (морщины, складки), брака (коробление) и усадки [2, 5]. Рекомендуемый температурный режим переработки имеет следующие параметры: температура формы не должна быть ниже 50 – 70°С, а для повышения производительности и уменьшения времени охлаждения рекомендуется применять дополнительное охлаждение воздухом или использование искусственного водяного тумана [2].

Увеличение ударной вязкости можно добиться увеличением степени вытяжки заготовки. Но при этом наблюдается возможность повышенной усадки изделия. Рекомендуется формовать изделия при таком режиме, в которых ориентационные процессы не влияют на качество получаемого изделия

Большинство машин и установок для термоформования оснащено тепло-радиационными инфракрасными нагревателями; температуру заготовки можно регулировать изменением интенсивности нагрева по зонам и расстояния нагревателя от поверхности листа. Кроме того, нагрев листовых заготовок (особенно большой толщины) может осуществляться в нагревателях камерного типа или контактнымспособом с помощью нагреваемых плит [2, 5]. В целом с повышением температуры формования механические характеристики готового изделия снижаются, а усадка увеличивается [2, 5, 9].

В зависимости от контакта перерабатываемого пластика с поверхностью пуансона вакуум-формование подразделяется на позитивное и негативное. Формование изделия по позитивному способу происходит на пуансоне. Поверхности изделия полностью повторяет форму внешней поверхности пуансона. При подъеме пуансона нагретый лист соприкасается с поверхностью пуансона. Вытяжка остальной части заготовки происходит более равномерно, но, как и при негативном формовании, получение изделия большой глубины и с острыми углами затруднительно [2, 5].

Формование по негативной технологии происходит в формующей полости, и данным способом можно получать изделия, форма которых будет соответствовать геометрическим размерам матрицы. При нагревании заготовка деформируется с равномерным уменьшением толщины заготовки, но при соприкосновении ее с матрицей, из-за разности температур происходит неравномерное охлаждение и возникает разнотолщинность. Форма должна обеспечивать две основные важные характеристики – степень вытяжки и глубина полости. Закрепление формы изделия происходит за счет обдува ее воздухом, которое может быть, как односторонним, так и двухсторонним, в зависимости от конструкции формы и метода формования.

Длительность охлаждения изделия зависит от многих параметров – таких как толщина стенки изделия, температуры оснастки и температуропроводности перерабатываемого материала. Время охлаждения меньше, чем ниже толщина стенки, но при очень быстром охлаждении может наблюдаться нестабильность размеров изделия (коробление, и т.п.) Низкая температура формы затрудняет оформление некоторых конструктивных элементов, таких как острых углов и ребер, а высокая температура детали может вызвать появления гофр и складок в следствие неравномерной усадки. Температура формующей оснастки оказывает большое влияние при переработке кристаллизующих полимеров, а именно на степень кристалличности и скорость кристаллизации – что в свою очередь влияет на качество получаемого изделия [2].

В процессе охлаждения могут изменяться геометрические размеры изделий из-за усадки. Удаление изделий из формы может быть выполнено сжатым воздухом или механической выталкивающей системой.

Одним из недостатков данного процесса можно назвать большое количество отходов (до 35-40%). 98% можно использовать для вторичной переработки. Отходы измельчаются на дробильном оборудовании.

Во время переработки полимерные матрицы полистирола подвергаются термомеханической деструкции.

В полистироле реакционноспособный атом водорода, связанный с третичным атомом углерода главной цепи, активируется, кроме того, фенильной группой, так как он присоединен к углеродному атому, находящегося в α-положении к этой группе. Радикалы, расположенные на концах макромолекулы, легко реагируют с этим атомом водорода по внутримолекулярному (А) и межмолекулярному (Б) механизму реакции передачи цепи:

Внутримолекулярная передача, если она происходит в непосредственной близости от конца макромолекулы, приводит к образованию простых молекул – димера, тримера и тетрамера, что объясняет появление этих соединений в значительных количествах. Внутримолекулярная передача с участием азота, находящегося на значительном расстоянии от концов макромолекулы, а также межмолекулярная передача к разрыву цепи на нелетучие осколки и, следовательно, к уменьшению молекулярного веса остающегося полимера. Число слабых связей в полимерах ограничено, в то время как согласно этой реакции, молекулярный вес должен непрерывно уменьшаться с той же скоростью, что и в начальной стадии, быстро достигая низкого значения. Поэтому преобладающей реакцией будет внутримолекулярная передача, чему способствует локальная свернутость цепи [Грасси].

Рассмотрим механизм окислительной деструкции полистирола. Для полимеров, содержащих подвижные атомы водорода, находящиеся у третичного атома углерода или активированные, например, фенильной группой, окисление непосредственно приводит к образованию перекисей. Так, при окислительной деструкции полистирола уже в начальной стадии процесса происходит образование гидроперекиси:

Гидроперекись затем распадается на свободные радикалы:

Образование такого радикала может непосредственно привести к разрыву молекулярной цепи:

или к передаче неспаренного электрона другой макромолекуле, подвергающейся далее расщеплению:

При термической деструкции первой стадией процесса всегда является образование свободных радикалов. Происходит разрыв связей, уменьшается молекулярная масса. Наряду с понижением массы происходит отщепление мономера. При термической деструкции полистирола основной продукт мономер (65%), димер, тример, тетрамер [21].

Описание технологической схемы производства

Технология изготовления изделий из полистирола методом термоформования состоит из следующих стадий:

Процесс начинается с того, что на склад сырья (поз. СС) доставляются гранулы первичного полистирола в мешках по 25 кг при помощи электропогрузчика (поз. ЭП) и происходит процесс их размещения на стеллажах.

После этого, материал в мешках на тележках поставляется на растаривание (поз. РУ), где материал избавляется от возможных инородных включений, и пересыпается в технологический контейнер (поз. ТК).

Первичный полистирол в технологическом контейнере отправляется на стадию смешивания (поз. СПБ) в барабанный смеситель «пьяная бочка», где происходит его смешение с вторичным полистиролом (дроблеными отходами производства) в определенной пропорции.

Смесь полистирола, расфасованная в технологические контейнеры (поз. ТК), отправляется на экструзионную линию (поз. Э) для формования пленки. Материал из технологического контейнера попадает в бункер-сушилку (поз. БС) при помощи автозагрузчика (поз. АС). Отформованная пленка попадает на станцию намотки пленки (поз. СНП), где происходит ее нарезка в размер по длине.

Рулон пленки устанавливается на термоформовочную машину (поз. ТФМ), на которой происходит изготовление изделий. После этого изделия упаковываются в картонную тару (поз. КиУ) и на тележках отправляется на склад готовой продукции.

Отходы отправляются на дробление (поз. Д). Дроблёный полистирол отправляется на весовое дозирование (поз. ВТ), где происходит его расфасовка в технологические контейнеры (поз. ТК), после чего вторичный полистирол отправляется на смешение с первичным (поз. СПБ).

Нормы технологического процесса и контроль производства

Нормы технологического процесса и контроль производства представлены в таблице 4

Таблица 4 - Нормы технологического процесса и контроль производства

Наименование стадий процесса, места измерения параметров или отбора проб	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля	Нормы и теничес-кие пока-затели	Режим работы по статическим методам УКП АСУ ТП	Метод испытания и средства контроля
Хранение и транспортировка полимера	Внешний вид	При транспортировке на участок экструзии	Отсутствие включений Наличие влаги		Визуально
Зона загрузки экструдера	Температура	Ежечасно	50-600С	автоматически	По микропроцессорному регулятору температуры JUMO, тип 702042

Продолжение таблицы 4

Наименование стадий процесса, места измерения параметров или отбора проб	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля	Нормы и теничес-кие пока-затели	Режим работы по статическим методам УКП АСУ ТП	Метод испытания и средства контроля
Экструдер	Температура по зонам: 1-я зона 2-4 зоны головка обороты шнека давление перед фильтром	Ежечасно Постоянно Постоянно	115-1350С 190-2200С 190-2200С 80 мин-1 ≤15 МПа	автоматически автоматически автоматически автоматически Блокировка на отключение экструдера при давлении ›15 МПа	По микропроцессорному регулятору температуры JUMO, тип 702042 По тахометру на пульте управления По манометру
Формование пленки. - калибровочные валки	Температура нижнего валка Температура среднего валка	Ежечасно Ежечасно	12 0С 12÷14оС	автоматически автоматически	термометр термометр
- полирующий валок	Температура полирующего валка	Ежечасно	75÷80 0С	автоматически	По термометру
Термоформование изделия	Температура верхней нагревательной панели Давление воздуха на входе в ресивер	Ежечасно Постоянно	по 8 зонам: 330-3800С 0,6 мПа (6 кг/см2)	автоматически автоматически	По микропроцессорному регулятору температуры JUMO, тип 702042 (термопара тип J,Fe-Co) манометр, шкала- 0÷10 кг/см2

Продолжение таблицы 4

Наименование стадий процесса, места измерения параметров или отбора проб	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля	Нормы и теничес-кие пока-затели	Режим работы по статическим методам УКП АСУ ТП	Метод испытания и средства контроля
Термоформование изделия	Давление воздуха формования	Постоянно	0,4 мПа (4 кг/см2)	автоматически	манометр, шкала- 0÷6 кг/см2
Дробление отходов	Внешний вид дробленки		Отсутствие включений		Визуально
Загрузка чистого сырья и дробленки в бункер экструдера	Массовое соотношение и качество смешения дробленки и чистого сырья	Постоянно	10%	автоматически	Электронная система дозирования автозагрузчика

Виды брака и способы его устранения

Дефекты изделий, возникающие в процессе переработки полистирола методом термоформования (за исключением дефектов, вызванных неправильным обслуживанием и неисправностью машин, особо низким качеством материала и т. п.), можно разделить на брак исходного материала (заготовки), брак нагрева и дефекты собственно формования.

Брак материала – это разнотолщинность листа и неправильная ориентация структуры в заготовке [4]. Участки листа, которые имеют меньшую толщину, имеют больший температурный градиент и наблюдается провисание заготовки, что может привести к деструкции материала из-за неравномерного нагревания. В то же время провисание листа может привести к разнотолщинности изделия, а иногда к разрывной деформации листа.

Расположение заготовки в машине тоже влияет на качество изделия. Если не учитывать ориентацию макромолекул в листовой заготовке, то возможно получить анизотропное изделие с разной толщиной и различными физико-механическими показателями [4].

При получении изделий данным способом необходимо удостоверится, что наименьшая вытяжка готового изделия должна быть в направлении наибольшей ориентации исходной заготовки, и в направлении наименьшей ориентации заготовки [4, 5], должна наблюдаться наибольшая вытяжка.

Дефекты, зависящие от качества нагревания листа, являются следствием колебания температурного режима нагревателей вследствие как инерционности самих нагревателей, так и колебания температуры в зоне формования из-за колебаний воздуха.

Дефекты, возникающие при формовании это образование гофр [4, 5] и пузырей на поверхности изделия, изменение цвета [4, 5] от перегрева формуемого листа, неполное оформления детали, прилипание листа к форме и т.п. [4] Основные виды брака и способы его устранения приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Виды брака и способы его устранения

Вид брака	Причины возникновения	Способы устранения
Морщины и складки на стенках готового изделия	Перегрев листа; высокая температура формы; не­рациональная конструк­ция формы; малый радиус округления верхней кромки формы; большая скорость формования	Сократить продолжитель­ность нагрева; взять бо­лее толстый лист; увели­чить радиус скругления; охладить форму; умень­шить скорость формова­ния
Образование пузырей	Хранение листа во влажных условиях; перегрев листа	Изменить условия хране­ния материала, предва­рительно подсушить его; сократить время нагрева
Недооформленные изделия	Неправильный выбор спо­соба нагрева заготовки; недостаточное давление формования; нерацио­нальная конструкция формы (неправильное расположение фильер); засорение вакуумных ка­налов	Изменить способ нагрева; увеличить формующее давление; изменить рас­положение вакуумных каналов и увеличить их диаметр

Продолжение таблицы 5

Вид брака	Причины возникновения	Способы устранения
Недооформленные изделия	Неправильный выбор спо­соба нагрева заготовки; недостаточное давление формования; нерацио­нальная конструкция формы (неправильное расположение фильер); засорение вакуумных ка­налов	Изменить способ нагрева; увеличить формующее давление; изменить рас­положение вакуумных каналов и увеличить их диаметр
Образование трещин в углах и разрывов	Высокий перепад темпера­туры между горячим ли­стом и переохлажденной формой; циркуляция хо­лодного воздуха около машины; слишком боль­шое давление формова­ния; большая скорость формования	Изменить условия формо­вания; устранить сквоз­няки; уменьшить давле­ние и скорость формо­вания
Белый оттенок в сечении отформованного изделия	Вытяжка недостаточно на­гретого листа	Увеличить время нагрева
Изменение цвета листа	Перегрев заготовки	Уменьшить время нагрева заготовки
Прилипание материала к форме	Нерациональная конструк­ция формы (мал угол на­клона боковых стенок); плохая обработка рабо­чих поверхностей формы; перегрев формы	Увеличить угол наклона боковых стенок формы; улучшить чистоту обра­ботки рабочих поверх­ностей; охладить форму
Пятна на поверхности изделия	Царапины на заготовке; плохая смазка формы; недостаточный угол на­клона боковых стенок формы	Проверить условия транс­портировки и складиро­вания заготовок; смазать форму силиконовой смаз­кой; увеличить угол на­клона боковых стенок

РАССЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Материальные балансы производства

В проектируемом производстве планируется изготавливать пленку для термоформования продукции непосредственно на месте изготовления. Для этих целей будет применятся одношнековый экструдер. Для удешевления продукции на проектируемом производстве в состав пленки будет добавляться вторичное сырье, которое образуется после дробления отходов. Количество вторичного сырья в композиции для получения пенки не более 10%.

Параметры рулонов пленки:

Банка – 1: ширина 540 мм; толщина 1,25 мм.

Расходные коэффициенты сырья по стадиям производства и материальные балансы производства 1000 шт. готовой продукции представлены в таблицах 6.

Таблица 6 - потери по стадиям при изготовлении изделия «Банка-1»

В процентах

Стадия	Потери
Транспортировка	0,100
Растаривание	0,100
Смешение	0,150
Экструзия	0,000
Термоформование	28,100
Контроль и упаковка	0,100
Дробление отходов	0,049

Таблица 7 – материальный баланс производства 1000 штук изделия «Банка-1», масса одного изделия 8 г.

В килограммах

Статья прихода	Количество	Статья расхода	Количество
Транспортировка
Первичный ПС Вторичный ПС	9,3471 1,0385	Первичный ПС Безвозвратные отходы Вторичный ПС Безвозвратные отходы	9,3378 0,0093 1,0375 0,0010
ИТОГО	10,3856	ИТОГО	10,3856
Растаривание
Первичный ПС Вторичный ПС	9,3378 1,0375	Первичный ПС Безвозвратные отходы Вторичный ПС Безвозвратные отходы	9,3285 0,0093 1,0365 0,0010
ИТОГО	10,3753	ИТОГО	10,3753
Смешение
Первичный ПС Вторичный ПС	9,3285 1,0365	Композиция Безвозвратные потери	10,3500 0,0150
ИТОГО	10,3650	ИТОГО	10,3650
Экструзия
Композиция	10,3500	Пленка ПС Безвозвратные потери	10,3500 0,0000
ИТОГО	10,3500	ИТОГО	10,3500
Термоформование
Пленка ПС	10,3500	Готовые изделия Возвратные отходы	8,0800 2,2700
ИТОГО	10,3500	ИТОГО	10,3500
Контроль и упаковка
Готовые изделия	8,0800	Упакованные изделия Возвратные отходы	8,0000 0,0800
ИТОГО	8,0800	ИТОГО	8,0800
Дробление
Возвратные отходы	2,3500	Дробленый ПС Безвозвратные отходы	2,3489 0,0011
ИТОГО	2,3500	ИТОГО	2,3500

Описание работы основного оборудования

Термоформовочная машина RDM 58-120работает следующим образом: рулон пленки устанавливается на размоточную станцию. Край рулона заправляется в станцию предподогрева (pre-heating), если используется пленка толщиной более 300 мкм. После прохода данного узла пленка отправляется на нагревание, где обогревается инфракрасным обогревателем. На этом этапе необходимо достигнуть равномерного температурного поля заготовки, которое обеспечивает равенство физических характеристик полимера в каждой точке заготовки. Неравномерное сопротивление материала в разных точках полимерной заготовки приводит к неравномерной величине деформации в этих точках. А это значит, что изделие получится местами с тонкой стенкой.Дополнительным условием достижения равномерности разогрева заготовки является требование выдержки равного расстояния между поверхностью полимера и поверхностью, образованной зонными нагревателями во всех противостоящих точках и в течение всего времени нагрева. Выполнение этого условия достигается за счет, устанавливаемого на ТФМ, устройства автоматической поддержки нагретой пленки. Данное устройство использует в своей работе бесконтактный датчик положения полимера, а также исполнительное устройство коррекции высоты положения полимерного материала.

После этого, нагретая пленка отправляется на узел формования, где пленка прижимается к матрице формы. Данная процедура необходима для надежной герметизации полимерной заготовки, исключающей возможные утечки воздуха в результате вырывание края заготовки при ее деформации или температурной усадке. Прижим заготовки на термоформовочных машинах осуществляется путем передачи усилия пневматических цилиндров через рычажный механизм прижимной рамы на край заготовки.

После закрепления заготовки происходит оформление изделия, его охлаждение (для придания необходимой жесткости для его извлечения), вырубка изделия и его извлечение из зоны формования. Отходы пенки сматываются в рулон на намоточной станции.

Выбор вспомогательного оборудования

К вспомогательному оборудованию, используемому в проектируемом технологическом процессе относятся: роторная дробилка, бункер-осушитель, автозагрузчик, растаривающее устройство, смеситель, электропогрузчик, весы технические. Рассмотрим подробнее каждый вид оборудования.

Дробилка.Моющая дробилка средней производительности с конфигурацией роторных ножей – «Ласточкин хвост». Использование воды позволяет снизить влияние абразивных материалов на ножи и увеличить срок их службы. Водяное охлаждение подшипников позволяет работать на дробилке 24 часа в сутки.

В бункер загрузки загружается сырье в виде отходов полимерных материалов. В корпусе ротора происходит их дробление между вращающимися ножами ротора и стационарными ножами, а также отмывка сырья. Далее измельчённое сырьё проходит через отверстия решётки и попадает в бункер выгрузки. С-ДР-500 отличается компактными габаритами и высокой производительностью, и экономичностью для данного класса измельчителей. Возможность измельчения с указанной производительностью обеспечивается благодаря: размеру загрузочного бункера (535×765мм), ротору увеличенного диаметра, обеспечивающего захват большого объема материала, ножам, изготовленным из специальной стали с оптимальным углом заточки. Характеристики дробилки С-ДР-500 приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Характеристики дробилки С-ДР-500

Характеристика	Значение
Мощность двигателя, кВт	55
Диаметр ротора, мм	500
Частота вращения ротора, об/мин	800
Ножи роторные/стационарные, шт	8/4
Размер загрузочного окна, мм	535×765
Масса, кг	3100
Габариты, мм	1850×1590×3190
Производительность, кг/час	500

В качестве осушителей полимерного сырья предполагается использовать бункер-сушилку ShiniSHD, отличительной чертой которых является долговечность эксплуатации без обслуживания и ремонта:

- удобство в эксплуатации оказывает 24-часовой таймер включения.

- модели выпускаются двух модификаций: с теплоизолированным корпусом(маркировка – SHD.Ti) и с неизолированным (однослойным) корпусом (маркировка – SHD);

- магнитный улавливатель (опция) исключает попадание металлических частиц в экструдер термопластавтомата;

- максимальная температура осушения стандартных моделей: +120°C. Моделей с теплоизолированным корпусом: +180°C.

Характеристика бункер-сушилки ShiniSHD 25 представлены в таблице 9.

Таблица 9 - характеристика бункер-сушилки ShiniSHD 25

Характеристика	Параметр
Емкость бункера, кг	25
Мощность нагревателя, кВт	2,8
Мощность вентилятора, Вт	90
Габаритные размеры, мм	725×405×950
Вес, кг	40

Для охлаждения пленки при экструзии применяем чиллер с воздушным охлаждением конденсаторного блока.

Использование чиллеров для охлаждения, позволяет получать изделия с высокоглянцевой поверхностью и минимальными внутренними напряжениями. Этот фактор способствует свободному извлечению готовых изделий без их механических повреждений.Охладители данной марки оснащены компрессорами COPELAND SCROLL (Германия). Оборудование обладает высокой надежностью, а также простотой в эксплуатации и обслуживании.Использование электронных терморегуляторов обеспечивает высокоточное поддержание рабочей температуры в диапазоне от 5 до 35°C.

Защитные системы:

- защита от перегрузки компрессора и помпы,

- датчики высокого/низкого давления,

- защита от замерзания,

- защита от короткого замыкания, отключения фазы.

- индикатор неисправностей,

Использование импортных комплектующих производства Тайваня, США, Дании, Японии гарантирует долгую безотказную работу.Технические характеристики чиллера с воздушным охлаждением конденсаторного блока приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Технические характеристики чиллера HC-05ACI

Характеристика	Параметр
Производительность, кВт/ч	14
Система компрессора	спиральная
Мощность, кВт	4,4
Тип испарителя	витой погружной
Мощность насоса, кВт	0,75
Фреон экологически безопасный	R22 (R407C)
Емкость резервуара с водой, л	100

В производстве, где используются сыпучие материалы, растаривательмешков является необходимым оборудованием в помещениях, где необходимо обеспечить отсутствие пыли. Он используется для растаривания больших мешков, расфасовку материала в емкости более мелких объемов для дальнейшей их транспортировки непосредственно к месту использования.Мешок с продуктом укладывается на решетку и разрезаетсяпополам, а его содержимое вытряхивается в воронку. Характеристики растаривателя мешков производства «Группа компаний «Ликвид сервис»» приведены в таблице 11.

Таблица 11 – Характеристика растаривателя мешков

Характеристика	Параметр
Габаритные размеры, мм	1900×1300×800
Масса, кг	275
Материал	сталь

Для смещения первичного и вторичного полимерного сырья используется смеситель типа «Пьяная бочка». Смешение компонентов в смесителе происходит в бочке, закрепленной под углом во вращающейся рамке. В состав смесителя входят: станина, рамка, бочка и мотор-редуктор.

При работе смесителя рамка, с закрепленной в ней бочкой, вращается вокруг своей оси, благодаря чему обеспечивается перемешивание материала. Смеситель имеет не высокую скорость вращения, что обеспечивает слабое влияние на изменение гранулометрического состава смешиваемых компонентов. Характеристики смесителя типа «Пьяная бочка» с несъёмной тарой из нержавеющей стали 300 литров марки ПБ-300 (нс) представлены в таблице 12.

Таблица 12 – Характеристики смесителя ПБ-300 (нс)

Характеристика	Параметр
Объем тары, л	300
Угол наклона тары, град.	45
Частота вращения постоянная/регулируемая	28,35/0-50
Мощность, кВт	2
Габаритные размеры, мм	500×750×700

БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

Анализ вредных выбросов в воздух рабочей зоны:Перерабатываемым материалом в цехе является полистирол.

Композиции полистирола при нормальных условиях не оказывают вредного влияния на организм человека, нетоксичны.

ПС не токсичен и при нормальных условиях переработки не оказывает вредного влияния на организм человека. При температуре разложения (300 – 320°C) ПС выделяет газы, которые удаляются с помощью приточно-вытяжной вентиляции. Вредные вещества, удаляемые системами вытяжной вентиляции, направляются, на установки обезвреживания или рассеиваются в атмосфере. Для этого выходные трубы снабжаются специальными насадками, что увеличивает эффект рассеивания. Рассеивание вредностей в атмосфере является наиболее простым и дешевым способом зашиты окружающей среды. Однако его можно использовать лишь в том случае, если расчетами будет доказано, что содержание выбрасываемых вредностей приземном слое совместно с существующем фоном не превышает допустимого по санитарным нормам.

При переработке полистиролов в присутствии воздуха и при повышенной температуре проходят процессы термической и термоокислительной деструкции полимеров. Деструкция обусловлена реакциями отрыва, замещения, диссоциации. Элементарные реакции могут протекать последовательно и параллельно. В зависимости от условий какие-то реакции могут оказаться преобладающими и будут определять механизм процесса в целом. При переработке полистиролов (общего назначения, ударопрочного и вспенивающегося) в интервале температур 180 – 350°C выделяются такие вещества, как стирол, ароматические углеводороды (бензол, этилбензол, толуол, изопропилбензол, пропилбензол, альфа-метилстирол), дибутилфталат, формальдегид, окись углерода; при переработке пенополистирола дополнительно - бензальдегид и изопентан.Из перечисленных веществ к продуктам деструкции относятся бензальдегид, формальдегид, окись углерода. Остальные являются примесями товарного стирола или участвуют в процессе синтеза полистиролов (стирол, дибутилфталат).

Среди большого числа веществ, выделяющихся при переработке полистиролов в изделия, основными являются:

- стирол (ПДК = 5 мг/м³);

- бензол (ПДК = 5 мг/м³);

- формальдегид (ПДК = 0,5 мг/м³);

- бензальдегид (ПДК = 5 мг/м³);

- дибутилфталат (ПДК = 0,5 мг/м³);

- оксид углерода (ПДК = 20 мг/м³);

- изопентан (ПДК = 300 мг/м³);

- толуол, этилбензол, изопропилбензол (50 мг/м³).

Воздух, удаляемый от пылящего оборудования (при растаривании) перед выбросом в атмосферу подвергается очистке, при этом концентрация пыли в воздухе не должна превышать допустимую по санитарным нормам.

Контроль состояния воздушной среды проводят с учетом требований ГОСТ 12.1.005-88. При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношения фактических концентраций каждого из них и их ПДК не должна превышать единицы.

Для устранения причин загрязнения атмосферного воздуха на участке необходимо вести ежегодный контроль эффективности работы УОГ (устройство очистки газов). Составлять акты технических осмотров УОГ, ввести журнал периодического учета [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе изучена технология по изготовлению изделий методом термоформования. Представлены следующие разделы: технологическая часть, расчеты, безопасность и экологичность. В технологической части проекта выполнено обоснование выбора деталей и материалов, проведен обзор методов переработки, обоснован выбранный метод переработки полимера. Приведена характеристика сырья и готовой продукции, физико-химические основы технологического процесса, описание технологической схемы производства, контроль производства, виды брака и способы его устранения. Расчетная часть содержит материальный баланс производства, выбор вспомогательного оборудования. Безопасность и экологичность состоит из анализа условий труда на производстве деталей методом термоформования из полистирола, анализа отходов и выбросов.

Код для цитирования: Скопировать