Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów

Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów Prasowanie, kalandrowanie, odlewanie dr inż. Michał Strankowski Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Prasowanie Prasowanie, jako technika formowania materiałów polimerowych można podzielić na prasowanie wysokociśnieniowe (tłoczne, przetłoczne i płytowe) oraz prasowanie niskociśnieniowe. Przy użyciu tej techniki można kształtować przedmioty pod ciśnieniem z materiału wyjściowego, który może być w postaci arkuszy (preimpregnatów) lub też tłoczyw. Metoda ta jest stosowana głównie do duroplastów i polega na kształtowaniu tworzyw warstwowych, czy też laminatów poprzez sprasowanie tworzywa w postaci preimpregnatów, które są umieszczone pomiędzy płytami prasy.

Podział prasowania PRASOWANIE Prasowanie wstępne (tabletkowanie) Prasowanie wysokociśnieniowe Prasowanie niskociśnieniowe

Prasowanie wstępne Prasowanie wstępne zwane również tabletkowaniem poprzedza prasowanie tłoczne, które odbywa się w układzie poziomym lub pionowym. W układzie poziomym na ogół jednogniazdowym, otrzymuje się tabletki o większych rozmiarach, np. walce o średnicy 70 mm i większej, z wydajnością przeciętnie 1 sztuki na sekundę. Układ pionowy jest zazwyczaj wielogniazdowy i służy do otrzymywania tabletek o połowę mniejszych rozmiarach z jednocześnie dużą wydajnością nawet do 3 sztuk na sekundę.

Prasowanie wstępne Schemat procesu prasowania wstępnego (tabletkowania) w układzie poziomym: a) dozowanie, b) wypełnianie, c) sprasowanie, d) usuwanie; 1 - prowadnica - dno matrycy (nieruchome), 2 - stempel ruchomy, 3 - boczna część matrycy (ruchoma), 4 - tłoczywo proszkowe w ruchomym zasobniku, 5 tabletka.

Prasowanie wstępne Schemat procesu prasowania wstępnego (tabletkowania) w układzie poziomym: a) dozowanie, b) wypełnianie, c) sprasowanie, d) usuwanie; 1 - prowadnica - dno matrycy (nieruchome), 2 - stempel ruchomy, 3 - boczna część matrycy (ruchoma), 4 - tłoczywo proszkowe w ruchomym zasobniku, 5 tabletka.

Prasowanie tłoczne Metodą prasowania tłocznego można przetwarzać przede wszystkim tworzywa termoutwardzalne, mniej popularne jest przetwarzanie materiałów termoplastycznych. W przypadku tego typu prasowania formowanie przedmiotów odbywa się z zastosowaniem matrycy oraz stempla, które nadają produktowi pożądany kształt (Rys. 5.4.1./1.). Odpowiednio przygotowane tworzywo umieszcza się w gnieździe formy, następnie ogrzewa oraz doprowadza się do płynięcia w celu całkowitego wypełnienia gniazda formy. Po zestaleniu wypraski usuwa się ją z formy, po czym można przystąpić do kolejnego cyklu prasowania. Cykl prasowania wysokociśnieniowego obejmuje następujące fazy: wypełnianie bezpośrednie, zamykanie, sprasowanie, otwieranie oraz przerwa.

Prasowanie tłoczne Rys. 5.4.1./1. Forma do prasowania tłocznego: 1 tłoczywo, 2 matryca, 3 stempel, 4 prowadnice.

Prasowanie tłoczne Schemat procesu prasowania tłocznego: a) napełnianie gniazda, b) forma zamknięta, c) wypychanie wypraski; 1 - stempel, 2 - gniazdo formujące, 3 - tłoczywo, 4 - matryca, 5 - wypychacz, 6 - wypraska prasownicza

Prasowanie tłoczne Wypraski wykonuje się najczęściej w formach stałych umieszczonych w prasach, zwykle hydraulicznych. Zadaniem tych układów podczas prasowania jest stworzenie ciśnienia pozwalającego na pokonanie oporów przepływu tworzywa podczas wypełniania formy oraz jego ściśnięcie nadające odpowiednią gęstość wyprasce. Temperatura prasowania zależy od rodzaju tworzywa prasowanego, w przypadku tworzyw termoutwardzalnych zwykle wynosi 140-200 C. Jest ona związana z czasem prasowania i grubością ścianki wypraski. Ten rodzaj prasowania stanowi jedną z najstarszych metod przetwórstwa.

Prasowanie przetłoczne Prasowanie przetłoczne różni się od prasowania tłocznego sposobem doprowadzenia tłoczywa do gniazda formującego. Kształtowanie przedmiotów zachodzi również w formie (porównanie do formowania tłocznego), ale tłoczywo zostaje uplastycznione w komorze i przetłoczone do zamkniętej formy. Tworzywo na początku umieszczane jest w komorze przetłocznej, z której w stanie plastycznym jest przetłaczane, z wykorzystaniem tłoka, do gniazda formującego (Rys. 5.4.2./1.).

Prasowanie przetłoczne Rys. 5.4.2./1. Schemat prasowania przetłocznego.

Prasowanie przetłoczne Schemat procesu prasowania przetłocznego przy użyciu prasy o działaniu pionowym: a) napełnianie komory przetłocznej, b) forma zamknięta, c) wypychanie wypraski; 1 - stempel, 2 - gniazda formujące, 3 - matryca, 4 - komora przetłoczna, 5 - tłoczywo, 6 - kanał przetłoczny, 7 - wypraska, 8 - tłok przetłoczny (przetłocznik), 9 - wypychacz

Prasowanie przetłoczne Warunki prasowania przetłocznego różnią się od warunków prasowania tłocznego. Temperatura powinna być regulowana dokładniej niż przy prasowaniu tłocznym ze względu dodatkowe nagrzewanie się tłoczywa na skutek tarcia podczas przetłaczania. Czas nagrzewania przy prasowaniu przetłocznym, który obejmuje zabieg uplastyczniania i prasowania (przetłaczania), jest krótszy od czasu nagrzewania przy prasowaniu tłocznym.

Prasowanie przetłoczne daje szereg korzyści ekonomicznych i technologicznych, w porównaniu z prasowaniem tłocznym, do najważniejszych należą: - mniejsze ścieranie się powierzchni form; - większą szybkość utwardzania; - lepszą jednorodność wyprasek; - lepszy wygląd powierzchni; - lepsze własności dielektryczne; - możliwość formowania wyprasek o skomplikowanych kształtach.

Podczas prasowania przetłocznego tworzyw termoutwardzalnych formy są podgrzewane, natomiast w przypadku formowania materiałów termoplastycznych chłodzone. Ogólnie czas cyklu prasowania przetłocznego jest krótszy od czasu cyklu prasowania tłocznego i co istotne, nie jest on bezpośrednio związany z grubością wypraski.

Prasowanie płytowe Prasowanie płytowe polega na sprasowaniu warstw arkuszy nośnika (np. tkanina, papier, fornir drzewny), który przesycony jest żywicą (fenolową, aminową, mocznikową). Napełniacz przesyca się odpowiednią żywicą i następnie układa jeden na drugim, zgodnie z żądanym ukierunkowaniem elementów struktury. Arkusze napełniacza mogą być ułożone tworząc układy: równoległy, poprzeczny, gwiaździsty, czy też poprzecznie wzmocniony. Następnie odpowiednio przygotowane warstwy umieszcza się pomiędzy ogrzewanymi płytami prasy. W przypadku prasowania płytowego, ogrzewane płyty stanowią formę, natomiast obszar pomiędzy płytami spełnia funkcje gniazda formującego. Zasadniczo cykl prasowania płytowego jest taki jak w przypadku prasowania tłocznego.

Prasowanie płytowe Często z wykorzystaniem tej metody uzyskuje się preimpregnaty (zwane też prepregami), które są arkuszami napełniacza przesyconego żywica, a następnie poddanymi suszeniu w celu odparowania rozpuszczalnika. Metody otrzymywania preimpregnatów i tłoczyw arkuszowych umożliwiają wytwarzanie z nich przedmiotów o powtarzalnych właściwościach, dzięki czemu mogą one być stosowane w przypadku produkowanych masowo elementów używanych w przemyśle motoryzacyjnym czy też lotniczym.

Prasowanie niskociśnieniowe Prasowanie niskociśnieniowe jest procesem, w którym ciśnienie prasowanie nie przekracza 2 MPa. Metoda ta służy głównie do otrzymywania laminatów. Spoiwem często są żywice poliestrowe i epoksydowe zawierające np. inicjatory czy też utwardzacze, natomiast jako nośnik służą napełniacze arkuszowe. W przypadku gdy spoiwem są polimery uretanowe wówczas proces prasowania nosi nazwę RTM (ang. Resin Transfer Molding). Proces prasowania niskociśnieniowego może odbywać się w temperaturze normalnej lub też podwyższonej, na ogół do około 150 C.

Prasowanie niskociśnieniowe W obrębie prasowania niskociśnieniowego można wyróżnić: prasowanie z użyciem prasy, prasowanie pneumatyczne próżniowe, pneumatyczne normalne (Rys. 5.4.4./1.), pneumatyczne próżniowo-ciśnieniowe, prasowanie grawitacyjne.

Prasowanie niskociśnieniowe laminatów (w temperaturze normalnej) polega na ułożeniu w gnieździe formującym arkuszy napełniacza, a następnie wprowadzeniu do gniazda mieszaniny żywicy z dodatkami. W kolejnym etapie zamykana jest forma, przez co zachodzi przesycanie napełniacza oraz wywierane jest ciśnienie oraz rozpoczyna sie polimeryzacja. W metodzie tej często stosowane są tłoczywa arkuszowe oraz impregnaty. Ten rodzaj prasowania można stosować do wytwarzania przedmiotów o dużych rozmiarach.

Z kolei prasowanie niskociśnieniowe laminatów w temperaturze podwyższonej przebiega analogicznie w stosunku do wcześniej opisanej metody prowadzonej w temperaturze normalnej, z tą różnicą, że forma jest wyposażona w grzejniki lub też kanały grzejne. Za pomocą prasowania niskociśnieniowego w podwyższonej temperaturze można również wytwarzać laminaty porowate, które znajdują zastosowanie jako np. deski surfingowe czy spoilery samochodowe.

Prasowanie niskociśnieniowe w temperaturze normalnej przedmiotów o dużych rozmiarach 1- obudowa żelbetowa formy, 2 wypełnienie obudowy tworzywem, 3 laminat poliestrowo-szklany, 4 ciekła mieszanina żywicy z niezbędnymi składnikami, 5 napełniacz arkuszowy, 6 słupy prowadzące, 7 odpływ nadmiaru ciekłej mieszaniny, 8 uszczelki.

Prasowanie niskociśnieniowe Rys. 5.4.4./1. Schemat procesu prasowania niskociśnieniowego, pneumatycznego normalnego: 1 korpus komory z podwyższonym ciśnieniem powietrza, 2 płat z folii, 3 laminat, 4 listwa uszczelniająca, 5 gniazdo formy, 6 wózek, 7 zaciski śrubowe.

Kalandrowanie

Kalandrowanie Proces kalandrowania polega na ciągłym przeprowadzaniu wstępnie uplastycznionego tworzywa pomiędzy obracającymi się walcami. Proces kalandrowania przebiega w kalandrach, gdzie narzędziem są walce kalandrujące. Kalandrowanie jest procesem kształtowania pasma posiadającego regulowaną grubość. W wyniku kalandrowania można otrzymywać wstęgi o grubości od 0,08 mm do około 1 mm oraz szerokości przekraczającej 2 m (folie).

Kalandrowanie Kalandry mają na ogół od trzech do sześciu walców, które mogą być różnie rozmieszczone. Najczęściej spotyka się układy walców w kształcie liter I, L, L odwrócone, F, Z oraz S (Rys. 5.5./1.). Sąsiednie walce obracają się w przeciwnych kierunkach. Prędkość obwodowa (liniowa) walców zasadniczo wynosi 0,3-2 m/s. Odległość kolejnych walców od siebie zmniejsza się stopniowo, dzięki czemu w kolejnych szczelinach, tworzą się od nadmiaru tworzywa obracające rolki, które wywołują ujednorodnienie kalandrowanego materiału. Z kolei zmniejszenie szczeliny międzywalcowej zapewnia np. usunięcie z obrabianego materiału pęcherzyków powietrza.

Układy walców kalandrujących (z lewej) Układy walców kalandrujących: a) układ trójwalcowy I, b) układ pięciowalcowy I, c) układ L, d) układ odwrócone L, e) układ F, f) układ Z, g) układ S. (z prawej) Schemat kalandrowania zespolonego: 1 folia, 2 tkanina, 3 folia zespolona. schemat kalandrowania zespolonego, podczas którego następuje łączenie adhezyjne kalandrowanego tworzywa w postaci folii z innym materiałem w postaci taśmy. Ten rodzaj kalandrowania stanowi pewnego rodzaju alternatywę laminowania na sucho.

Odlewanie

Odlewanie Odlewanie jest procesem polegającym na wypełnieniu formy odlewniczej ciekłym tworzywem. Odlewanie można prowadzić w formach otwartych lub też zamkniętych. W formach otwartych i nieruchomych bardzo często odbywa się zalewanie elementów zespołów elektronicznych. Przy produkcji wyrobów wewnętrznych pustych stosuje się dwudzielne formy metalowe, obrotowe. Przy dużych prędkościach formy można realizować tak zwane odlewanie odśrodkowe (Rys. 5.6./1.). W tym przypadku masa odlewnicza, która znajduje się w formie, pod wpływem siły odśrodkowej zostaje dociśnięta do ścianek formy oraz ulega utwardzeniu. Pozwala to na otrzymanie elementów grubościennych, które są pozbawione pęcherzy i wewnętrznych naprężeń.

Odlewanie odśrodkowe tworzyw sztucznych w formie o osi obrotu, a) pionowej, b) poziomej.

Odlewanie Masowo wytwarzane półprodukty typu płyty, rury, pręty wytwarza się metodą polimeryzacji w formach. Jako przykład może posłużyć poli(metakrylan metylu), który odlewa się pomiędzy płytami szklanymi, następnie polimeryzuje w odpowiednich temperaturach. Z kolei poliamid 6, który formowany bezciśnieniowo, z wykorzystaniem polimeryzacji anionowej, z -kaptolaktonu w lekkich formach, daje półprodukty, natomiast w formach ciężkich można uzyskać produkty, takie jak śruby okrętowe, wałki, rolki czy też koła zębate.

Koniec