ВВЕДЕНИЕ

Переработку полимеров в широком смысле можно рассматривать как некую инженерную специальность, занимающуюся превращением исходных полимерных материалов в требуемые конечные продукты. По технологичности переработки ничто не сравнится с полимерами, которые могут почти бесконечно изменять форму, цвет и структуру.

Практически все промышленные полимеры сразу после их получения обычно не пригодны для прямой переработки. Для уменьшения трения и улучшения течения полимера внутри перерабатывающего оборудования в большинство полимеров добавляют пластифицирующие материалы. Для защиты изделий от термической, окислительной и фотодеструкции необходимы подходящие стабилизаторы, а для получения изделий разного цвета — красители или пигменты, для придания специальных свойств и уменьшения стоимости конечного продукта — наполнители. Для получения изделий из натурального и синтетических каучуков требуется введение вулканизующего агента и ряда других компонентов.

Процесс введения пластификаторов, компонентов вулканизирующих систем, отвердителей, защитных добавок, наполнителей, красителей, пламегасителей и пр. в первичный полимер называют компаундированием, а смеси полимеров с этими добавками — компаундами.

Если исходный полимер находится в порошкообразном виде, для его смешения с порошковыми или жидкими ингредиентами можно использовать планетарные миксеры, У-образные смесители, мешалки с ленточной винтовой лопастью, 2-образные миксеры или опрокидыватели. Температура смешения может быть комнатной или повышенной, в последнем случае она должна быть намного ниже температуры размягчения полимера. Для смешения жидких полимеров используются простые высокоскоростные мешалки.

Эластомерные материалы получают в виде крошки, спрессованной в толстые пластины (брикеты, кипы), поэтому приведенные выше методы смешения с порошкообразными и жидкими ингредиентами не пригодны. Компаунды на основе каучуков или резиновые смеси можно получить после предварительной их пластикации и последующего введения требуемых ингредиентов. Компаундирование эластомеров проводят на вальцах, в роторных, роторно-червячных и червячных смесителях.

Волокнообразующие полимеры не нуждаются в компаундировании, поскольку все необходимые ингредиенты вводят в расплав или раствор полимера непосредственно перед прядением нити.

Большинство методов, применяемых в настоящее время для переработки полимеров, являются модифицированными аналогами методов, используемых в керамической и металлообрабатывающей промышленности. Основными из них являются ка- ландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия, пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание, армирование, формование из расплава, сухое и мокрое формование. Последние три метода используют для производства волокон из волокнообразующих материалов, а остальные — для переработки пластических и эластомерных материалов в промышленные изделия.

Наиболее универсальным оборудованием для переработки полимерных материалов являются шнековые машины, совмещающие транспортные операции с операциями смешения и формования.

Более ста лет назад шнек был впервые использован для перемешивания и подачи глины. С тех пор технология перемешивания при помощи шнеков быстро развивалась и превратилась в экструзионное производство как способ переработки полимерных материалов путем непрерывного продавливания разогретого материала через формующую головку. Сегодня шнековые машины используются в разных областях, но наиболее широко в индустрии полимеров, где шнеки с одинаковым успехом работают в термопластавтоматах, в листовых, пленочных, профильных экструдерах и даже в объемных принтерах. Экструзия является одним из самых дешевых методов производства широко распространенных изделий, таких как пленки, волокна, трубы, листы, стержни, шланги, рукава и другие непрерывные профильные ленты.

Первые шнековые прессы были громоздкими, энергоемкими и недолговечными, имели весьма посредственные эксплуатационные характеристики, поскольку плохо плавили и смешивали полимерную массу. Даже незначительное отклонение от узкого коридора допустимых режимов работы приводило к перебоям в подаче или к перегреву и разложению сырья. Постепенно, шаг за шагом, оборудование совершенствовалось.

Бурный рост потребления полимеров во второй половине XX века привел к значительному прогрессу в конструкции шнековых машин. Естественно, что промышленные шнековые машины мало похожи на своего прародителя, поскольку предназначены для переработки неньютоновских жидкостей, поведение которых нельзя описать только законами гидродинамики. Расплавы полимеров имеют высокую исходную вязкость, которая может различаться на порядки в зависимости от типа полимера, обладают свойством релаксации формы и напряжений, требуют втрое больше удельной энергии при плавлении и нагреве, чем ньютоновские жидкости, существенно меняют вязкость в зависимости от скорости сдвига. К особенностям полимеров следует добавить повышенное тепловое расширение при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления, а также очень низкую теплопроводность.

Учет особенностей свойств полимеров осложняет моделирование и расчет параметров процесса течения полимеров, поскольку прямые и, тем более, обратные задачи решаются только для каналов самой простой формы.

Результаты теоретических исследований позволили усовершенствовать основные функций экструдеров: иодачу, нагрев и смешение полимерной массы. За последние десятилетия были запатентованы, воплощены в металл и испытаны бесчисленные варианты компоновки шнековых машин. Созданы и применяются на практике шнеки цилиндрические и конические, компрессионные и декомпрессионные, барьерные и термосбалансированные. Активно применяются многошнековые схемы, различные смешивающие элементы, разнообразные устройства подачи и плавления материала.

Продолжают предприниматься попытки отказа от шнека как универсального устройства, комбинирующего три основные функции перерабатывающей машины. Для этого предполагается использовать различные сочетания шестеренных насосов, нагревателей, подвижных и неподвижных смесителей. Однако потенциал простого винта Архимеда оказался достаточным, чтобы остаться основным элементом абсолютного большинства машин и превратить процесс экструзии в ключевую технологию переработки полимеров.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >