XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

 

В последней четверти XX в. стало стремительно развиваться промышленное производство синтетических полимеров и в настоящее время оно заняло постоянное место среди производств таких материалов как металл, цемент, керамика, бумага, стекло и др. В настоящее время в мире производится более 180 миллионов тонн полимерных материалов.

Продукция из термопластичного полиуретана, в зависимости от назначения изделий и марки ТПУ, может изготавливаться как методом экструзии (изготовление оболочек кабелей, профилей, шлангов, волокон, листов и пленок), так и методом литья под давлением (изготовление формованных деталей, в том числе для автомобильной и обувной промышленности).

Термопластичный полиуретан поставляется в виде готовых к использованию гранул кубической, цилиндрической или линзовидной формы. С помощью добавок могут быть достигнуты особые свойства, которыми исходный материал может не обладать в достаточной степени.

К оригинальному материалу ТПУ в процессе переработки можно добавлять вторичное сырье (дробленые литники, бракованные изделия). Как правило, добавление до 30% вторичного сырья не приводит к существенному снижению качества готовых изделий. Многоразовое повторное использование термопластичного полиуретана негативно скажется на качестве.

Переработка ТПУ методом экструзии:

а) Для этого метода переработки рекомендуется использовать мягкие и средние по твердости марки полиуретанов, вязкость расплава которых меньше зависит от температуры и напряжения сдвига.

б) Особое внимание в процессе формирования изделий методом экструзии следует уделять конструктивным особенностям перерабатывающего оборудования.

Характеристика готовой продукции

Ассортимент и характеристика готовой продукции представлены в таблице 1.

Таблица 1- Ассортимент и характеристика готовой продукции

Изделие	Краткая характеристика	Сырье
			Трубка Т-0433-85 (20х1.0)	Используется для топливных систем, для работы с агрессивными средами в тяжелых условиях	Термопластичный полиуретан марки: Т-0433-85 ТУ 2249-018-32972176-2010
Трубка Т-0433-85 (25Х1.2)	Используется для топливных систем, для работы с агрессивными средами в тяжелых условиях	Термопластичный полиуретан марки: Т-0433-85 ТУ 2249-018-32972176-2010
Шланг Т-1413-85 (40х2.0)	Используется для поиска новых нефтерождений в океане и море в трудно доступных условиях.	Термопластичный полиуретан марки: Т-1413-85 ТУ 2249-018-32972176-2010
Шланг Т-1413-85 (50х3.0)	Используется для поиска новых нефтерождений в океане и море в трудно доступных условиях.	Термопластичный полиуретан марки: Т-1413-85 ТУ 2249-018-32972176-2010

Перечисленные изделия предназначены для работы с агрессивными средами и с тяжелыми природными условиями.

Предъявляемые требования к изделиям. Целесообразно выделить следующие важнейшие требования: герметичность, морозостойкость, химическая стойкость, биологическая инертность.

Толщина стенки изделия зависит от требований, которые обсуждаются с заказчиком.

Обоснование выбора сырья

Термополиуретан (ТПУ-термопластичный полиуретан), современный материал группы полимеров (полиуретанов), выполненный на основе сложных или простых полиэфиров. Первоначальная его форма бесцветные гранулы, цилиндрической или линзовидной формы.

Этот уникальный материал объединяет в себе износостойкость, лёгкость и эластичность. Термополиуретан характерен своей прозрачностью и способностью не изменять свой цвет в процессе его использования.

Эксплуатационные и химические свойства TPU обеспечили этому материалу широкое распространение во всех отраслях промышленности с высокими требованиями к качеству материалов.

Термопластичные полиуретановые трубки и шланги экструдированые из термопластичных эластомеров. Именно они сочетают в себе высокие термические, механические, химические и термические свойства с высокотехнологичной технологией переработки. Трубки и шланги ТПУ применяется в автомобильной промышленности, ракетостроение, на месте нефтерождения и тд.

Физико-химические свойства термополиуретана:

а) стойкий к растворителям, кислотам, щелочам;

б) не горит;

в) не боится абразивного истирания;

г) более пластичен, чем ПВХ:

в) аттракцион не изменит своего внешнего вида, на протяжении всех лет эксплуатации будет оставаться как будто новым.

д) амплитуда температур для работы: от -30 до +110 ºС.

Поставляется в виде бесцветного, готового к переработке гранулята кубической, цилиндрической или линзовидной формы.

ТПУ обладает уникальными физико-механическими характеристиками для тех производств, где необходима износостойкость, механическая прочность, эластичность, атмосферная, химическая и температурная стойкость используемых материалов. Термопластичные полиуретаны дают неограниченные возможности. Его конкурентом принято считать резину.

Резина-Каучук можно разделить на натуральный каучук и синтетический каучук в зависимости от сырья. Натуральный каучук добывают из каучуковых деревьев, а синтетический каучук синтезируют искусственно. Резина имеет разные виды и степени износостойкости. Каучук представляет собой полностью аморфный полимер, эластичный при комнатной температуре и способный вызывать большие деформации при незначительном внешнем воздействии. После устранения внешней силы он может восстановить свою первоначальную форму.

Сравнение ТПУ и Резины:

1. Резина относительно мягкая, а диапазон твердости (0-100a) материала ТПУ очень широк между резиной и пластиком;

2. Понятие эластомера очень широкое, тпу также называют термопластичной резиной (тпр), а каучук обычно относится к термореактивной резине;

3. Способы обработки разные. Резина обрабатывается путем смешивания каучука, тогда как ТПУ обычно обрабатывается экструзией;

4. Свойства разные. Резина обычно требует добавления различных добавок и должна быть вулканизирована для усиления, в то время как характеристики термопластичных эластомеров очень хорошие;

5. Термопластичный эластомер tpu имеет линейную структуру и физически сшит за счет водородных связей. Водородные связи разрываются при высоких температурах и пластичны. Резина химически сшита, а не термопластична.

6. Пластик ТПУ обладает превосходной износостойкостью, которая более чем в пять раз выше, чем у натурального каучука, и является одним из предпочтительных материалов для износостойких изделий.

Характеристика выбранного сырья

Термопластичный полиуретан – это эластомер, обладающий высочайшим новаторским потенциалом. Производится на основе простых и сложных полиэфиров. Он также устойчив к воздействию масел и жиров, износу и трению, не теряет форму, не растягивается даже при длительном воздействии, не плавится при температуре до +80^оС.

Исходя из требований заказчика по тяжелым эксплуатационным условиям: работа в -50˚С с агрессивными наполнителями (с дизельным топливом) в соленой воде, мы выяснили на основе базовых данных предприятия ЗАО Блокформ, что ни одна из марок ТПУ не подходит для потребностей нашего заказчика.

После чего была проведена работа по подбору композиции и дальнейшему получению изделий. Мы решили сделать новую композицию и пришли к выводу, что марки на основе сложного полиэфира сильно подвержены гидролизу, следовательно, не могут работать в воде и под действием ультрафиолета. Поскольку марка 1413-85 синтезируется на основе сложного полиэфира, а синтез на основе простого полиэфира у нас не проводится, то для нашей композиции целесообразно применять сырье на основе простого полиэфира, покупаемое с других предприятий.

На основе вышесказанного, мы решили смешать в определенном соотношении несколько марок ТПУ на основе сложного и простого полиэфира, в следствие чего получили необходимые нам свойства, а именно, благодаря сложному полиэфиру композиция приобретает необходимые химическую стойкость и морозостойкость (шланги сохраняют эластичные свойства при температуре от -50°С до плюс 90°С), а благодаря простому полиэфиру изделие будет работать в водной среде и не разрушаться под действием гидролиза. В результате смешения получаются следующие значения:

Таблица 2- Характеристика ТПУ

Наименование показателей	Значения до смешения	Значения после смешения
Минимальная условная прочность при растяжении, МПа	20	28
Минимальное относительное удлинение при разрыве, %	300	600
Относительная остаточная деформация после разрыва, %	60	70
Твердость по Шору А., усл.ед	87	85-91
Минимальное сопротивление раздиру, Н/мм	70	90
Показатель текучести расплава, г/10 м	5-9	1-1,5
Минимальное условное, МПА напряжение при 100% удлинении	6	6,3
Температура переработки, OC	160-190	200-220
Температура эксплуатации, OC	-30/+80	-50/+90
Плотность, г/см3	1,12	1,16

Обоснование метода переработки

Экструзия (от лат. extrusio, выдавливать, выталкивать) – это технология получения разнообразных изделий путем механического выдавливания вязкого вещества (расплава) сквозь фильеру (формующий элемент) с последующим охлаждением и отвердеванием изделия. Профиль фильеры (формующей головки, формовочного элемента) определяет размеры окончательного изделия.

Технология применяется в разных сферах промышленности. Например, в металлургии экструзия используется для изготовления металлопроката, а в пищевой отрасли для изготовления жевательной резинки и конфет, макаронных изделий и колбас. Не меньшую востребованность экструзионный метод нашел в сфере переработки пластика и производства полимерных материалов. Наряду с методом литья пластмасс под давлением экструзионный метод является самым популярным способом обработки пластических масс.

Метод экструзии впервые был применен в производстве в XVIII веке в Европе на волне идей индустриализации. Экструзия сильно упрощала процесс изготовления множества вещей, и даже создавала новые типы товаров. Так, благодаря экструзионному формованию появились готовые завтраки (подушечки с начинкой) и порционные закуски (снеки, хлебцы). Метод экструзии был применен для производства металлических труб еще в 1797 году. С середины XX века метод экструзии присутствовал уже практически повсеместно в промышленных циклах. Его преимущества состоят в возможности непрерывного производства и безотходности рабочего процесса.

Экструзия полимеров (пластиков) – это непрерывный технологический процесс температурной обработки пластикового сырья (порошка, лент или гранул) с целью превращения сырья в расплав, которому впоследствии будет придана определенная форма (готовое изделие или пластиковый полуфабрикат для дальнейшего использования). Процесс осуществляется при помощи специального оборудования – экструдера.

В основе шнекового экструдера лежит элемент, известный с древности как винт Архимеда.

Экструдеры (экструдинг-прессы) бывают следующих типов:

а) Одношнековые (одночервячные)

б) Двух или трех шнековые (многочервячные)

в) Планетарные (многошнековые)

г) Поршневые (плунжерные)

д) Дисковые

е) Смешанные типы экструдеров (шнеково-дисковые)

Производственная линия как правило состоит из нескольких единиц оборудования: со-экструдеров, охлаждающих и ламинирующих устройств, приборов автоматической маркировки и многого другого. Устройство экструзионной производственной линии может позволить производить полимерное полотно практически не ограниченной длины.

Экструзия как метод хорошо подходит для производства погонажных пластиковых изделий, полимерных пленок, пластиковых труб, листов и стержней из пластика. Методом экструдирования обрабатывают любые виды пластиков: термопласты и реактопласты, эластомеры и композитные материалы.

В экструзионных машинах обычно выделяют три рабочие зоны: загрузки, плавления и дозирования. Такое разделение носит несколько условный характер, поскольку отсутствуют четкие границы раздела; Истинную границу зон в зависимости от состояния полимера можно установить экспериментально или математическими расчетами с учетом конкретных условий работы агрегата.

За зону загрузки обычно принимают длину шнека от загрузочного отверстия до места появления слоя расплава на поверхности цилиндра или шнека. Зона плавления − это участок шнека от начала появления расплава до полного плавления слоя гранул. В зоне дозирования происходит окончательное плавление оставшихся частиц, выравнивание температуры расплава полимера по сечению и его гомогенизация. Дополнительные зоны: наиболее часто встречается зона дегазации, в которой на расстоянии 1 − 3 витков происходит резкое увеличение объема винтовых каналов, что способствует удалению из расплава газообразных включений, удалению из расплава газообразных включений.

Шнек характеризуется тремя основными параметрами: диаметр D (станд. 45, 63, 125), длина L, которая обычно характеризуется отношением L/D (у современных экструдеров L/D от 17 до 30) и степень сжатия – отношение объемов винтового канала в зоне загрузки и зоне дозирования (обычно от 0,8 до 5,0, чаще всего 3-3,5).

Современные червяки имеют степень сжатия, которая создается 2 способами: у шнеков диаметром до 120 мм, которые выполняются из 1 заготовки, объем 1 витка меняется только за счет глубины канала, для червяков большого диаметра (сборных) объем меняется за счет шага.

Процесс изготовления труб основан на непрерывном выдавливании расплава через кольцевую щель формующей головки с последующим калиброванием и охлаждением. Экструзией можно изготавливать трубы диаметром от десятых долей миллиметра (капиллярные трубки) до 500 мм и более. Наиболее часто трубы производят из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, поликарбоната, полистирола или их сополимеров. Стадии технологического процесса: гомогенизация расплава; получение трубы (осуществляется в формующих головках – бывают прямоточные, угловые)

П ри формовании профиля трубы расплав из головки выходит не свободно, а отводится помощью тянущего устройства. Если расплав отводится со скоростью большей, чем скорость выхода расплава, происходит уменьшение толщины стенки трубы и повышается осевая ориентация макромолекул. В зависимости от степени вытяжки расплава увеличивается усадка в продольном направлении. При этом в тангенциальном направлении при нагревании труб, изготовленных с вытяжкой, наблюдается не уменьшение, а увеличение размеров. Под степенью вытяжки понимается отношение площади формующего зазора в головке к площади сечения трубы, выраженное в процентах.

Почти готовый профиль попадает на калибрование – т.е. предварительно охлаждают с обеспечением расплаву определенной конфигурации и размеров (необязательная стадия, только если есть строгие требования к размерам).

Калибрование можно проводить по наружной (90%) или внутренней поверхности трубы, а также с использованием сжатого воздуха или вакуума. При подаче сжатого воздуха внутрь трубы происходит частичное раздувание ее по диаметру, вследствие чего труба на выходе из головки плотно прилегает к охлаждаемым стенкам калибрующей гильзы. Чтобы снизить силу трения подают воду и воздух (туман). Недостаток калибрования сжатым воздухом отсутствие возможности наблюдать за качеством расплава, выходящего из головки.

Этот недостаток можно устранить, если использовать вакуумную насадку (рис. 2.). Для создания вакуума необходимо обеспечить герметичность между экструдатом и гильзой на входе, поэтому диаметр формующего мундштука делают несколько больше, чем диаметр гильзы. Необходимые размеры труба приобретает в результате прижатия экструдата к стенкам гильзы под действием разности давления атмосферного воздуха и вакуума. Поскольку невозможно создать большую разность давлений, этот метод неприменим при калибровании толстостенных труб.

Охлаждение труб проводится орошением их водой или пропусканием через водяную ванну.

Основное требование к этой операции − равномерное и быстрое охлаждение расплава. Поскольку труба движется в горизонтальном направлении, создаются неравномерные температурные поля по верху и по низу трубы. Чтобы исключить это, в ваннах обеспечивается интенсивное перемешивание жидкости. В некоторых случаях для этого внутрь трубы подают водно-воздушную смесь или охлажденный воздух. Воду можно регулировать по температуре и скорости подачи.

• приемное устройство

• отрезающее устройство

Физико-химические основы технологического процесса

Экструдер (червячная машина, червячный пресс), в котором полимер

расплавляется и гомогенизируется, является основной машиной промышленных линий, на которых осуществляется ряд взаимосвязанных операций процесса переработки. Он выполняет функции пластикатора и насоса, непрерывно продавливающего расплав материала, полученного в винтовом канале, через головку (формующий канал). По устройству и принципу работы основного узла, продавливающего расплав в головку, экструдеры подразделяются на шнековые, бесшнековые и комбинированные. Шнековые машины называют также червячными прессами. Высокая пластицирующая способность червячных экструдеров обусловлена тем, что пластикация происходит как в результате теплопередачи от обогреваемых стенок цилиндра (корпуса), так и выделения тепла при деформациях, которым материал подвергается в экструдере.

Экструдеры подразделяют на одно - и двухчервячные (в последних оба червяка расположены в одном цилиндре); известны также трех- и четырехчервячные экструдеры; двух- или многоцилиндровые (каждый червяк расположен в отдельном цилиндре); одно- и двухстадийные, в которых пластикация и выдавливание материала осуществляется соответственно в одну или в две стадии; универсальные и специализированные; с осциллирующими (вдоль оси) и одновременно вращающимся шнеком; с зоной дегазации и без нее с вращением шнеков в одну и в противоположные стороны.

Области эффективного применения двухчервячных машин:

- экструзия высоковязких нетермостабильных материалов (непластифицированный поливинилхлорид; термопластичный полиуретан);

- экструзия рыхлых порошкообразных материалов;

- гомогенизация предварительно смешанных композиций на основе порошкообразных полимерных материалов;

- переработка материалов, подаваемых в машину в состоянии расплава;

- экструзия особо точных изделий.

В зависимости от расположения червяка различают горизонтальные и вертикальные экструдеры. В двухцилиндровых экструдерах один червяк может быть расположен горизонтально, а другой вертикально.

Выбор конструкции экструдера зависит главным образом от перерабатываемого материала и в меньшей степени от вида изделия.

Наиболее простым является одношнековый экструдер без зоны дегазации. Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и формующая головка. В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины h нарезки по длине шнека.

Главные рабочие органы экструдера – полый цилиндр и вращающийся в нем шнек (червяк). Они выполняют последовательно ряд рабочих операций, действие которых может быть условно выделено в три зоны: загрузки, сжатия и дозирования. Шнеки классифицируются по направлению вращения червяков; профилю сечения нарезки червяка (трапецеидальная, прямоугольная); под конструктивным приемам, обеспечивающим степень сжатия (с монотонно уменьшающимся шагом, со ступенчато уменьшающимся шагом, с монотонно возрастающей шириной гребня нарезки); конические червяки.

Процессы, происходящие во всех экструдерах при переработке пластмасс:

- транспортировка материала вдоль винтового канала, образованного внутренней поверхностью цилиндра и нарезкой червяка. Она сопровождается интенсивным деформированием материала и развитием давления в винтовом канале;

- смешение (одновременно с транспортировкой) компонентов материала;

- нагрев материала за счет превращающейся в тепло работы деформирования и трения или за счет тепла, поступающего от цилиндра,

снабженного нагревателями. Во всех конструкциях экструдеров обогрев цилиндра используется в период пуска, чтобы достичь рабочей температуры цилиндра.

При достижении установившегося режима работы количество тепла, выделяющегося в результате рассеяния (диссипации) работы деформирования материала при транспортировке его в канале червяка, зачастую превышает то количество тепла, которое необходимо на нагрев материала до требуемой температуры; излишек тепла в таких случаях отводится системами охлаждения шнека и цилиндра.

- переход материала из твердого (стеклообразного или кристаллического) в вязкотекучее состояние за счет нагрева;

- инициирование за счет нагрева различных химических реакций в материале (например разложение газообразователя и др.);

- уплотнение и монолитизация рыхлых сыпучих материалов вследствие развивающегося давления;

- формование расплава, заключающееся в том, что материалу с помощью головки (оснастки) придается определенная форма.

Профилирующий инструмент – головки экструдера выполняют одновременно две или три функции:

- придание непрерывно выдавливаему из головки материалу конфигурации будущего изделия или полуфабриката;

- фильтрация материала от инородных включений;

- наложение слоя материала на какой-либо сердечник, протягиваемый через головку (провод и т.п.).

Корпус экструдера обычно соединяется с головкой одним из четырех типов соединений:

1) фланцевое крепление обычными болтами;

2) фланцевое крепление откидными шарнирными болтами;

3) быстродействующий затвор, состоящий из двух клиновых хомутов;

4) быстродействующий байонетный затвор, состоящий из установленных на корпусе байонетной гайки и неподвижного упорного фланца, укрепленного на головке.

Привод экструдера должен обеспечивать регулируемую частоту вращения шнека в различном диапазоне и необходимый для работы экструдера вращающий момент во всем рабочем диапазоне частот вращения червяка. Чаще всего применяют:

- электродвигатели постоянного тока с тиристорным управлением;

- коллекторные двигатели переменного тока;

- в сочетании с механическими шестеренчатыми редукторами гидропривод и асинхронный двигатель.

Технологический процесс экструзии складывается из последовательно перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах: питания, пластикации, дозирования расплава, а затем продвижения расплава в канал формующей головки.

Деление шнека на зоны I – III осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурноскоростного режима процесса и других факторов начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой.

В зоне питания уплотнение материала происходит, как правило, за счет уменьшения глубины нарезки h шнека. Продвижение полимера осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Поскольку поверхность контакта полимера с поверхностью шнека больше, чем с поверхностью цилиндра, необходимо уменьшить коэффициент трения полимера о шнек, так как в противном случае материал перестанет двигаться вдоль оси шнека, а начнет вращаться вместе с ним. Это достигается повышением температуры стенки цилиндра (нагревом) и понижением температуры шнека (охлаждением водой в зоне I). Иногда количество выделяющегося при внутреннем трении тепла может быть достаточным для плавления полимера, тогда нагреватели отключают. Этот режим называют адиабатическим.

В подавляющем большинстве случаев процессы по этому принципу не строятся. При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления.

Зона пластикации и плавления (II). В начале зоны II происходит под плавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера. В зоне пластикации пробка плавится также и под действием тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в материале в тонком слое расплава, где происходят интенсивные сдвиговые деформации, материал пластицируется. Последнее обстоятельство приводит к выраженному смесительному эффекту. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композиционного материала перемешиваются.

Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадает в зону дозирования. Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге – для выхода сформованного изделия.

Основной подъем давления Р расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II – плавящийся. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия. Зона дозирования (III). Продвижение гетерогенного материала (расплав, частички твердого полимера) продолжает сопровождаться выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Величина продольного (вдоль оси шнека) потока определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного – качество гомогенности полимера или смешения компонентов. В свою очередь продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного и потока утечек. Течение расплава через сетки и формующую оснастку. Расплав вращающимся шнеком продавливается через решетку, к которой прижаты металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, порции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры. Сверхвысокомолекулярные фракции полимера и различные примеси задерживаются сетками и через некоторое время они вместе с сеткой удаляются из цилиндра экструдера. После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5,0…35 МПа) продавливается в формующую оснастку и приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из фильерной части головки. В некоторых случаях, при нарушении технологического режима, возможны термическая и термоокислительная деструкции:

Существует три основных направления термического разрушения полиуретанов: расщепление случайных цепей, расщепление концевых групп цепей и сшивка. Выделяется четыре типа реакций, протекающих в процессе термической деструкции ПУ:

Термоокислительная деструкция. Стойкость полиуретанов к окислительному воздействию является одним из самых важных параметров, характеризующих материал, потому как в процессе эксплуатации ему приходится выдерживать разрушающее воздействие кислорода и тепловой нагрузки [29]. В процессе термоокисления (ТОД) полиуретаны реагируют с молекулярным кислородом, в результате чего наблюдается обесцвечивание и потеря физико-механических свойств материала. Механизм подобной деструкции носит радикальный характер и имеет несколько стадий.

Описание технологической схемы производства

Поступающие на производство мешки с ТПУ растариваются в приемный бункер (Б1), откуда через шлюзовый питатель поступает в трубу пневмотранспорта, подхватывается потоком воздуха от вентилятора (В1) и транспортируется в бункер-хранилище (Б2). Из бункера-хранилища (Б2) полимер проходит шибер и шлюзовым питателем подается в пневмотранспорт, где подхватывается воздухом от вентилятора (В2)и поступает в бункер-дозатор (БД). Из бункера-дозатора полимер самотеком с помощью гибкого металлорукава поступает в сушилку поз. С, после чего люк сушилки герметично закрывают и включают привод вращения барабана сушилки. Из сушилки полимер самотеком непрерывно поступает в бункер экструдера (БЭ). Конструкция узла подачи гранул обеспечивает постоянство уровня полимера в бункере. При снижении уровня срабатывает световая сигнализация. Из бункера экструдера полимер через шибер самотеком поступает в зону загрузки экструдера. Из зоны загрузки полимер шнеком продвигается по обогреваемому цилиндру экструдера, где за счет высоких температур и вращения происходит плавление полимера, перемешивание (гомогенизация) полученного расплава и развивается высокое давление расплава. Привод шнека осуществляется от электродвигателя постоянного тока через редуктор. Частота вращения шнека составляет 30 — 90 об/мин. Хвостовая часть шнека (в зоне загрузки) термостатируется водой с температурой 10-50 °С.

Температура зон экструдера поддерживается в пределах от 266 до 290°С с помощью индукционных электронагревателей. После экструдера расплав проходит кран-пробку и попадает в фильтр экструдера. Фильтр предназначен для очистки расплава от посторонних включений и непроплавов гранул. Фильтр включает в себя два блока (грубой и тонкой очистки) и оснащен тремя кранами с конусными пробками. Кран-пробки предназначены для слива загрязненного и перегретого расплава при запуске экструзионной установки и перекрытия доступа кислорода из атмосферы при разогреве. Из фильтра расплав полимера по переходнику продавливается через кольцевую цель формующей головки. Получаемая при этом трубная заготовка подается в вакуум калибровочную камеру ВК, где происходит ее первоначальное охлаждение для придания ей требуемой формы. Данный процесс называется калиброванием. Калибрующее устройство состоит из охлаждаемой гильзы, которая одним концом герметично прижимается к формующей головке, а другим соединен с вакуумной камерой. За счет разниц между атмосферным давлением и разряжением, получаемым под слоем воды, в вакуумной камере (ВК) трубная заготовка плотно прижимается к внутренней поверхности калибрующей гильзы, которая интенсивно охлаждается водой. При этом происходит кристаллизация наружного слоя заготовки.

Внутренний диаметр гильзы должен обеспечивать требуемые размеры трубы после ее окончательного охлаждения. Охлаждение калибрующей гильзы должно быть настолько интенсивным, чтобы внутренняя поверхность гильзы не нагревалась выше температуры плавления ТПУ. В противном случае произойдет проминание заготовки на поверхности гильзы, что приведет к нарушению процесса.

В вакуумную камеру постоянно подается ограниченное количество воды, необходимое для дальнейшего охлаждения формуемой трубы. Вода из камеры отсасывается вместе со случайно попадающим туда воздухом с помощью водокольцевого вакуум-насоса.

Пройдя через вакуумную камеру, труба попадает в охлаждающую ванну (ОВ), где происходит ее окончательное охлаждение.

Протяжка трубы через системы калибрования и охлаждения осуществляются с помощью тянущего устройства (ТУ). Скорость протяжки трубы согласуется с производительностью червячного пресса и требуемой толщиной стенки трубы. После тянущего устройства размещаются узлы для намотки труб (НУ) в бухты или резки (ОУ) их по определенным размерам.

Хранение готовой продукции. Готовая продукцияпосле приемки ОТК отправляется электропогрузчиком (ЭП) на склад СГП. Бухты увязываются шпагатом не менее чем в 4-х местах. Каждую бухту снабжают ярлыком из фанеры, картоном или иного другого материала с нанесением транспортной маркировки, в которой указываются основные, дополнительные и информационные надписи. Трубы хранят в горизонтальном положении на стеллажах, высота штабеля не должна превышать 2м.

В процессе производства труб образуются отходы. Они измельчаются с помощью дробилки и отправляются на продажу другим предприятиям.

Нормы технологического режима и контроль производства

Для того, чтобы изделия получались высокого качества необходимо тщательно контролировать каждую стадию производства. Состав, параметры и частота контроля на проектируемом производстве приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Нормы технологического режима и контроль производства

Наименование стадии производства	Контрольный параметр	Частота и способ контроля	Методы испытания и средства контроля	Кто контролирует
Постановка ТПУ на склад	Количество ТПУ на складе	Визуально	Сравнение количества сырья с документацией	Кладовщик
Смешение компонентов сырья	Время смешения при каждой загрузке 20-30 мин	Визуально	Часы бытовые	Машинист экструдера
Экструзия трубок и шлангов	Время прогрева	Визуально 1 час	Часы	Машинист экструдера
	Температура охлаждающей воды	Визуально	Гидрометр ртутный	Слесарь сантехник
	Давление охлаждающей воды	Визуально	Манометр	Слесарь сантехник
	Нагрузка на двигатель	визуально	Амперметр	Машинист экструдера

Продолжение таблицы 3

Калибровка	Воздухом	Постоянно	Ротаметр	Машинист экструдера
Охлаждение	Температура охлаждающей воды	визуально	Гидрометр ртутный	Машинист экструдера
	Скорость отбора шлангов и трубок	Визуально, постоянно в процессе работы на экструдере	Вольтметр Тахогенератор	Машинист экструдера
Контроль и упаковка	Толщина стенки	Случайная выборка	Штанген-цикруль, микрометр	ОТК
	Внутренний и наружний диамтер	Случайная выборка	Штанген-цикруль, микрометр	ОТК

Виды брака и способы его устранения

Перечень возможных дефектов формуемых изделий и способы их устранения приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Возможные виды брака и способы их устранения

Брак	Возможные причины возникновения брака	Способ устранения брака
Посторонние включения	Перегрета загрузочная зона экструдера, загрязненное сырье	Проверить подачу воды и отрегулировать ее расход. На входе в головку установить решетку с пакетом фильтрующих сеток.
Усадка	Неправильно подобрано время охлаждения изделия	Увеличение времени охлаждения
Низкая формоустойчивость экструдата на выходе из головки	Неоднородность материала по составу. Низкая вязкость расплава (неправильно выбрана марка материала по вязкости)	Проверить материал при необходимости заменить. Проверить текучесть расплава полимера на приборах типа ПТР.
Низкие механические показатели изделия	Неоптимальные режимы переработки	Проверить показания приборов и при необходимости откорректировать режимы экструзии. Уточнить марку материала или состав композиции
Разрывы на краях	Низкая температура расплава	Повысить температуру головки

Выбор вспомогательного оборудования

1) Измельчитель пластмасс роторный типа ИПР-150М. Предназначен для измельчения отходов термопластов до размеров, пригодных для переработки в червячных, литьевых машинах, а также для измельчения отходов кабельных производств, резины, кожи и других материалов. Измельчители в основном отличаются размерами загрузочного окна, производительностью и мощностью привода. Принцип работы измельчителя заключается в том, что сырьё, которое необходимо измельчить, подаётся в загрузочную камеру, где оно оказывается в зазорах между подвижными и неподвижными ножами. Под действием ударов этих ножей, происходит измельчение отходов до размеров, позволяющих им пройти в ячейки калибровочной решётки. Транспортировать измельчитель допустимо только в вертикальном положении. По прибытии на место эксплуатации, оборудование должно быть установлено на фундамент и заземлено согласно нормам и правилам эксплуатации электротехнических устройств. Рабочее место должно быть свободно от посторонних предметов, а так же достаточно освещено.

2) Стандартный загрузочно-сушильный бункер SHINI серии SHD-75.

Сочетают в себе функции загрузки и сушки полимерного материала. Через полимерный материал, находящийся в бункере, проходит горячий воздух по направлению снизу вверх. Относительно сухой воздух понижает влажность пластмассы и выходит из зоны сушки, смешиваясь с окружающим воздухом.

В наиболее продвинутых сушилках для полимеров, используемых для материалов, требующих наилучшей сушки, воздух циркулирует в системе, а сушилка снабжается блоком влагопоглощения. Этот блок позволяет радикально снижать влажность воздуха при помощи специальных адсорберов и направлять его в область сушки для наиболее эффективного осушения. Забор прошедшего сушку материала происходит из нижней зоны бункера. При этом параллельно в верхнюю зону бункера при помощи вакуум загрузчика поступает не высушенное сырье. Это приводит к противотоку нагретого воздуха и влажного полимера, движущегося сверху вниз, что положительно сказывается на качестве осушения.[12]

На проектируемом участке технические весы применяют приготовления композиций ТПУ, красителей. Выбираем модель весов МЕРА-ВТП 0,6. Для транспортировки сырья и готовой продукции выбираем газовый погрузчик, по причине его экологичности и надежности.

Безопасность и экологичность

ТПУ являются биоразлагаемыми материалами, но при этом они могут также подвергаться рециклингу. По сравнению с ПВХ ТПУ обладают следующими преимуществами:

— экологичность;

— ТПУ являются стойкими к абразивному изнашиванию, в то время как ПВХ с течением времени может растрескиваться;

— более эластичный и легкий по сравнению с ПВХ.

В медицинских устройствах материалы могут использоваться в качестве безопасной альтернативы ПВХ, поскольку в медицинских марках ТПУ не используются ускорители вулканизации и пластификаторы (которые могли бы вызывать раздражение кожи).

Полиуретаны, используемые для изоляции, позволяют повышать энерго эффективность зданий, транспортных средств и приборов, тем самым снижая объем выбросов углеродсодержащих веществ. При использовании в транспортных средствах изделия из ТПУ повышают эффективность потребления топлива, поскольку они имеют меньшую массу по сравнению с альтернативными компонентами из металлов. Выбирая полиуретан для своего изделия, Вы делаете выбор в пользу экологии нашей Земли. Неоспоримым преимуществом термопластичного полиуретана является его экологичность по отношению к здоровью человека и окружающей среде. Это достигается в результате нескольких факторов: отсутствие вредных выделений в воздух во время эксплуатации изделий из ТПУ; отсутствие вредных выбросов в окружающую среду во время переработки ТПУ; отсутствие вредных водных выбросов; возможность 2, 3 и даже 4-х переработок остатков и бракованных изделий из ТПУ в хорошее изделие без потери физико-механических свойств полиуретана; как следствие, отсутствие отходов и остатков на производстве.

Заключение

В данной работе была спроектирована технология по изготовлению трубок и шлангов из термопластичного полиуретана с повышенной морозостойкостью.

Приведен и описан технологический процесс производства трубок и шлангов методом экструзии, выбрано основное и вспомогательное оборудование. Также затронуты вопросы безопасноти и экологичности производства.

Код для цитирования: Скопировать