Методы переработки пластмасс: полное руководство и сравнительные таблицы

Таблица 1. Сравнение основных методов переработки пластмасс

Таблица 2. Характеристики оборудования для различных методов

Таблица 3. Области применения методов переработки

Литье пластмасс под давлением

Литье под давлением является наиболее распространенным методом переработки термопластичных полимеров и представляет собой высокоавтоматизированный производственный процесс. Метод характеризуется впрыском расплавленного пластика под высоким давлением в закрытую форму, где материал охлаждается и затвердевает, принимая требуемую конфигурацию.

Технологический процесс

Процесс литья под давлением осуществляется на термопластавтоматах и включает несколько ключевых стадий. Первоначально гранулы полимера подаются в загрузочный бункер, откуда поступают в нагревательный цилиндр. В цилиндре установлен вращающийся шнек, который одновременно выполняет функции транспортировки, пластификации и гомогенизации материала.

При вращении шнека полимер продвигается вдоль цилиндра через зоны с различными температурами. Это обеспечивает постепенное плавление материала и достижение однородного расплава с температурой от 160 до 280°C в зависимости от типа полимера. После накопления необходимой дозы расплава шнек прекращает вращение и действует как поршень, впрыскивая материал в форму под давлением 80-140 МПа (в специальных случаях до 200 МПа).

Оборудование и оснастка

Термопластавтоматы классифицируются по усилию смыкания формы, которое варьируется от нескольких десятков до нескольких тысяч тонн. Современные машины оснащены системами числового программного управления, обеспечивающими точный контроль всех параметров процесса: температуры, давления, скорости впрыска и времени выдержки.

Литьевые формы представляют собой сложную прецизионную оснастку, изготовленную из высококачественной стали. Форма состоит из неподвижной и подвижной частей, которые при смыкании образуют полость, соответствующую конфигурации изделия. В конструкцию формы входят система охлаждения, система выталкивания изделия и литниковая система для подачи расплава.

Преимущества и ограничения

К основным преимуществам метода относятся высокая производительность, возможность полной автоматизации процесса, получение изделий сложной формы с высокой точностью размеров и качеством поверхности. Изделия, как правило, не требуют дополнительной механической обработки.

Среди ограничений следует отметить высокую стоимость оборудования и оснастки, что делает метод экономически целесообразным только для крупносерийного и массового производства. Толщина стенки изделий обычно не превышает нескольких миллиметров, так как увеличение толщины приводит к значительному удлинению цикла охлаждения.

Экструзия полимерных материалов

Экструзия представляет собой непрерывный процесс формования изделий путем продавливания расплава полимера через формующий инструмент с заданным профилем сечения. Метод широко применяется для производства погонажных изделий неограниченной длины: труб, профилей, листов, пленок и кабельной изоляции.

Принцип работы экструдера

Основным технологическим оборудованием является экструдер, состоящий из обогреваемого цилиндра с размещенным внутри вращающимся шнеком. Полимерное сырье в виде гранул или порошка непрерывно подается в загрузочную воронку, откуда захватывается витками шнека и перемещается вдоль цилиндра.

По мере продвижения материал проходит через три функциональные зоны: зону загрузки и транспортировки, зону плавления и пластификации, и зону дозирования и гомогенизации. В результате на выходе из экструдера формируется однородный расплав под контролируемым давлением, который продавливается через формующую головку.

Типы экструдеров

Наиболее распространены одношнековые экструдеры, характеризующиеся простотой конструкции, надежностью и экономичностью. Они универсальны и применяются для переработки большинства термопластов. Диаметр шнека варьируется от 20 до 250 мм, а отношение длины к диаметру составляет от 20:1 до 35:1.

Двухшнековые экструдеры обеспечивают более интенсивное смешение и гомогенизацию материала. Они подразделяются на машины с противоположным и параллельным вращением шнеков. Такое оборудование применяется при переработке порошкообразного сырья, материалов со сложным композиционным составом и для получения особо качественной продукции.

Виды экструзионных процессов

При производстве пленок применяется экструзия с плоскощелевой головкой или экструзия с раздувом. В первом случае расплав выдавливается через щелевую головку и охлаждается на полированных валках. Во втором случае формуется рукав, который раздувается воздухом и вытягивается в продольном направлении.

Экструзия труб осуществляется через кольцевую головку с центральной оправкой. Выходящая труба проходит через калибрующее и охлаждающее устройство, после чего поступает на приемное устройство. Для производства профилей используются головки сложной конфигурации, соответствующие требуемому профилю изделия.

Выдувное формование

Выдувное формование представляет собой метод изготовления полых изделий путем раздува предварительно полученной заготовки сжатым воздухом в закрытой форме. Метод активно применяется в упаковочной промышленности для производства бутылок, канистр, баков и других емкостей объемом от 50 мл до 1000 литров.

Экструзионно-выдувное формование

Наиболее распространенным является экструзионно-выдувной метод. Процесс начинается с экструзии трубчатой заготовки через кольцевую головку экструдера. Заготовка в размягченном состоянии помещается между двумя половинками выдувной формы, которые смыкаются, зажимая заготовку по краям.

Внутрь заготовки через специальное устройство подается сжатый воздух под давлением 0,7-0,8 МПа (7-8 бар). Под действием давления заготовка раздувается и прижимается к стенкам формы, принимая ее конфигурацию. После охлаждения форма раскрывается, и готовое изделие извлекается.

Литьевое выдувное формование

При литьевом выдувном формовании заготовка изготавливается не экструзией, а литьем под давлением. Этот метод обеспечивает более точное дозирование материала и позволяет получить заготовки сложной формы с резьбовым горлышком высокого качества.

Литьевая заготовка после извлечения из литьевой формы в размягченном состоянии переносится в выдувную форму, где осуществляется раздув. Метод применяется преимущественно для производства бутылок из ПЭТ объемом от 0,2 до 3 литров с высокими требованиями к качеству.

Характеристики метода

Выдувное формование позволяет изготавливать изделия с толщиной стенки от 0,2 до 5 мм в зависимости от размера и назначения. Метод характеризуется средней и высокой производительностью: современные автоматические линии обеспечивают выпуск от 20 до 200 изделий в час в зависимости от объема.

К преимуществам относятся возможность получения изделий сложной формы, равномерность толщины стенок, отсутствие швов. Ограничения связаны с необходимостью использования специализированного оборудования и форм, а также с определенными требованиями к свойствам перерабатываемых материалов.

Прессование пластмасс

Прессование является одним из старейших методов переработки полимеров и заключается в формовании изделия под воздействием давления и температуры в закрытой форме. Метод преимущественно применяется для переработки термореактивных пластмасс, хотя может использоваться и для термопластов.

Прямое компрессионное прессование

При прямом прессовании отмеренная порция пресс-материала в виде порошка, гранул или таблеток загружается непосредственно в нагретую пресс-форму. Форма устанавливается в гидравлический пресс, где на материал воздействует давление 25-70 МПа в зависимости от типа полимера.

Под действием температуры 140-200°C и давления материал размягчается, заполняет полость формы и приобретает ее конфигурацию. Для термореактивных материалов происходит химическая реакция отверждения, в результате которой формируется трехмерная сетчатая структура. Время выдержки в форме составляет от 30 секунд до нескольких минут.

Литьевое прессование

Литьевое прессование представляет собой более совершенный вариант метода. Материал загружается не непосредственно в формующую полость, а в отдельную загрузочную камеру, где происходит его предварительный нагрев и пластификация. Затем под действием плунжера размягченный материал продавливается через литниковую систему в оформляющие полости предварительно сомкнутой формы.

Преимуществом литьевого прессования является возможность получения изделий со сложной арматурой, тонкими стенками и без облоя. Метод обеспечивает более равномерное распределение материала в форме и лучшее качество изделий.

Области применения

Прессование широко используется для изготовления электроизоляционных деталей из фенопластов и аминопластов, корпусных деталей, изделий с металлической арматурой. Метод применяется в электротехнической промышленности, автомобилестроении и производстве бытовых изделий.

К недостаткам метода относятся относительно низкая производительность, высокая трудоемкость и необходимость последующей обработки для удаления облоя. При переработке термопластов метод малоэффективен из-за необходимости охлаждения формы перед извлечением изделия.

Каландрирование

Каландрирование представляет собой процесс формования листов и пленок путем пропускания размягченного полимерного материала между системой вращающихся валков. Метод обеспечивает получение непрерывного полотна с точно заданной толщиной и высоким качеством поверхности.

Технология каландрирования

Каландр состоит из нескольких валков, установленных вертикально или наклонно. Количество валков обычно составляет от 2 до 5, при этом они вращаются с различными скоростями. Полимерный материал в пластифицированном состоянии подается на валки, где он захватывается и формуется в лист или пленку.

При прохождении между валками материал подвергается сжатию и сдвиговым деформациям, что обеспечивает его равномерное распределение по ширине и заданную толщину. Валки нагреваются до температуры 150-220°C в зависимости от типа полимера. Готовое полотно после выхода из последней пары валков охлаждается и наматывается в рулон.

Типы каландров

Двухвалковые каландры применяются преимущественно для вальцевания и предварительной подготовки материала. Трехвалковые каландры используются для производства тонких пленок толщиной 0,1-0,5 мм. Четырехвалковые и пятивалковые каландры обеспечивают высокое качество поверхности и применяются для изготовления декоративных материалов.

Каландры различаются также по расположению валков: с вертикальным, наклонным или L-образным расположением. Выбор конфигурации определяется видом перерабатываемого материала и требованиями к качеству продукции.

Преимущества и особенности

Каландрирование характеризуется высокой производительностью непрерывного процесса, возможностью получения равнотолщинных листов и пленок с превосходным качеством поверхности. Метод позволяет производить дублирование материалов и нанесение полимерных покрытий на ткани.

К особенностям метода относится необходимость точного контроля температуры валков, их зазоров и скоростей вращения. Каландровое оборудование характеризуется высокой стоимостью, но экономически эффективно при крупномасштабном производстве стандартизированной продукции.

Термоформование

Термоформование представляет собой процесс изготовления изделий из предварительно полученных листовых или пленочных заготовок путем их нагрева до высокоэластичного состояния и последующего формования на матрице или пуансоне. Метод широко применяется в упаковочной промышленности и рекламном производстве.

Вакуумное формование

При вакуумном формовании листовая заготовка закрепляется по периметру в прижимной раме над формующей оснасткой. Заготовка нагревается инфракрасными излучателями до температуры 120-200°C, при которой материал становится высокоэластичным и может значительно деформироваться без разрушения.

После достижения требуемой температуры из полости между заготовкой и формой откачивается воздух, создавая разрежение. Под действием атмосферного давления размягченная заготовка прижимается к поверхности формы и принимает ее конфигурацию. После охлаждения до температуры формоустойчивости изделие извлекается из формы.

Пневматическое формование

Пневматическое формование осуществляется под действием избыточного давления сжатого воздуха 0,3-0,6 МПа. Этот метод обеспечивает более четкое воспроизведение деталей формы и применяется для изделий с глубокой вытяжкой и сложным рельефом.

Также применяются комбинированные методы: пневмовакуумное формование и пневмомеханическое формование с использованием формующего пуансона. Такие методы позволяют получить изделия с более равномерной толщиной стенок.

Преимущества и ограничения

К преимуществам термоформования относятся низкая стоимость оснастки по сравнению с литьевыми формами, возможность изготовления крупногабаритных изделий, простота смены номенклатуры. Метод экономически эффективен при малых и средних объемах производства.

Недостатками являются неравномерность толщины стенок готового изделия, большое количество отходов материала при вырубке изделий из листа, ограниченная точность размеров. Метод применим только для относительно простых форм без поднутрений и сложных внутренних полостей.

Ротационное формование

Ротационное формование представляет собой метод изготовления полых изделий путем вращения формы, заполненной полимерным материалом, вокруг двух взаимно перпендикулярных осей с одновременным нагревом. Метод обеспечивает получение бесшовных изделий с равномерной толщиной стенок.

Технологический процесс

Процесс начинается с загрузки точно отмеренного количества полимерного порошка в металлическую форму. После закрытия форма помещается в нагревательную камеру, где начинает вращаться вокруг двух осей. Скорости вращения по осям подбираются таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение материала по внутренней поверхности формы.

При нагреве формы до температуры 200-350°C частицы порошка плавятся и спекаются, образуя сплошной слой на стенках формы. После завершения плавления форма переносится в камеру охлаждения, где продолжает вращаться до затвердевания изделия. Затем форма открывается и готовое изделие извлекается.

Типы оборудования

Машины для ротационного формования подразделяются на челночные, карусельные и рок-н-рольные. Челночные машины имеют одну или две формы, которые перемещаются между станциями нагрева, охлаждения и загрузки-выгрузки. Карусельные машины оснащены несколькими формами на вращающейся платформе, что обеспечивает непрерывность процесса.

Рок-н-рольные машины характеризуются качанием формы вокруг одной оси и вращением вокруг другой. Такая кинематика позволяет получать изделия сложной асимметричной формы.

Характеристики метода

Ротационное формование позволяет получать изделия с толщиной стенок от 3 до 20 мм и практически неограниченными размерами. Метод характеризуется низким давлением формования, что позволяет использовать относительно простые и недорогие формы. Возможно изготовление многослойных изделий и изделий с заформованной арматурой.

К недостаткам относятся длительный производственный цикл (от 20 минут до 2 часов), ограниченный выбор материалов (преимущественно полиэтилен), относительно высокая стоимость порошкообразного сырья, низкая размерная точность готовых изделий. Производительность составляет 2-10 изделий в час в зависимости от размера.

Часто задаваемые вопросы