Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów

Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów PODSTAWY PROCESU UPLASTYCZNIANIA dr inż. Michał Strankowski Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Informacje wstępne Wykład 7.15 10.00; s. 222, Chemia A; Obecność na wykładzie; Sprawdzanie obecności; Dwa sprawdziany kontrolne; Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest czynny udział w wykładach oraz uzyskanie zaliczenia. 2

Tworzywa sztuczne Tworzywa sztuczne są materiałami, w których najistotniejszy składnik stanoią związki wielkocząsteczkowe, syntetyczne lub pochodzenia naturalnego. Oprócz związku wielkocząsteczkowego tworzywo sztuczne zawiera zwykle składniki dodatkowe, które nadają mu korzystne właściwości użytkowe. Składnikami tymi mogą być napełniacze, nośniki, zmiękczacze, pigmenty i barwniki, stabilizatory i wiele innych. Większość związków wielkocząsteczkowych jest zbudowana z wielkiej liczby powtarzających się i połączonych między sobą identycznych elementów podstawowych, nazywanych merami. Dlatego też związki wielkocząsteczkowe nazywamy polimerami (poli- wiele). 3

Podział związków wielkocząsteczkowych Ze względu na pochodzenie można je najogólniej podzielić na trzy podstawowe grupy: 1 - naturalne związki wielocząsteczkowe występujące w przyrodzie (celuloza, białko, kauczuk ); 2 - związki wielkocząsteczkowe otrzymywane z polimerów pochodzenia naturalnego w wyniku modyfikacji polegającej na chemicznej zmianie właściwości polimerów naturalnych; 3 - syntetyczne związki wielkocząsteczkowe wytwarzane na podstawie reakcji chemicznej ze związków małocząsteczkowych. 4

Klasyfikacja technologiczna Przyjmując za podstawę klasyfikacji właściwości użytkowe i technologiczne tworzyw sztucznych można je podzielić na dwie grupy: a) Elastomery są to takie tworzywa, które podczas próby rozciągania (w temperaturze pokojowej ) wykazują wydłużenie powyżej 100%. Do tej grupy zalicza się wszystkie odmiany kauczuku oraz poliizobutylen. b) Plastomery są to takie tworzywa, których wydłużenie podczas rozciągania w temperaturze pokojowej nie przekracza 100%. Pod niewielkim obciążeniem ulegają one nieznacznym odkształceniom, zaś poddawane wzrastającemu obciążeniu zaczynają odkształcać się plastycznie, a następnie ulegają mechanicznemu zniszczeniu. W grupie plastomerów wyróżnia się trzy rodzaje tworzyw: - tworzywa termoplastyczne(termoplasty), - tworzywa termoutwardzalne, - tworzywa chemoutwardzalne. 5

Klasyfikacja technologiczna Tworzywa termoplastyczne przechodzą każdorazowo podczas ogrzewania w stan plastyczny, natomiast po ostygnięciu twardnieją. Mogą być wielokrotnie kształtowane, a ich przetwórstwo w temperaturach podwyższonych nie prowadzi w sposób wyraźny do zmian chemicznych ani do zaniku plastyczności i zdolności do formowania. Do termoplastów zalicza się wszystkie tworzywa polimeryzacyjne, a ponadto poliamidy, poliwęglany, polisulfony i termoplastyczne pochodne celulozy. Tworzywa termoutwardzalne podczas ogrzewania początkowo miękną, lecz przetrzymane w podwyższonej temperaturze utwardzają się nieodwracalnie. W wyniku utwardzenia stają się nietopliwe i nierozpuszczalne. Mogą więc być kształtowane tylko jednokrotnie. Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy tworzyw są fenoplasty i aminoplasty. Tworzywa chemoutwardzalne ulegają utwardzeniu już w temperaturze pokojowej pod wpływem działania specjalnych substancji zwanych utwardzaczami. Reakcja ta przebiega z większą prędkością w temperaturach podwyższonych. Najczęściej stosowanymi tworzywami chemoutwardzalnymi są żywice poliestrowe i epoksydowe. 6

Przetwórstwo tworzyw sztucznych Stosunkowo dynamiczny rozwój materiałów polimerowych spowodował opracowanie wielu metod przetwórstwa materiałów polimerowych. Podczas wykładu omówione zostaną metody dotyczące różnych rodzajów tworzyw sztucznych, w tym termoplastów, elastomerów oraz duroplastów. Przetwórstwo ma na celu nadanie materiałowi określonej postaci użytkowej oraz wytworzenie wyrobu, który będzie stosowany w określonych warunkach. Poprzez odpowiedni dobór parametrów technologicznych można wpływać na właściwości tworzyw sztucznych. 7

Podział przetwórstwa 8

Klasyfikacja przetwórstwa Do ważniejszych metod przetwórstwa fizyczno- chemicznego pierwszego rodzaju można zaliczyć: spajanie, porowanie, rozdzielanie cieplne, suszenie, podgrzewnie, ulepszanie fizyczne, aktywowanie i dozowanie. W przypadku metod fizyczno- chemicznych drugiego rodzaju można wśród nich wyróżnić: wytłaczanie, wtryskiwanie, prasowanie, laminowanie, odlewanie, kalandrowanie, mieszanie i zgarnianie. Natomiast ważniejsze metody przetwórstwa chemiczno- fizycznego są następujące: formowanie polimeryzacyjne, nanoszenie, klejenie, kitowanie, zamszowanie, drukowanie, metalizowanie oraz ulepszanie chemiczne. 9

Postawy procesu uplastyczniania Tworzywa sztuczne ze względu na swoje specyficzne właściwości znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, ich ogrom zastosowań jest szczególnie zauważalny w życiu codziennym. Postęp w dziedzinie materiałów polimerowych spowodował także intensywny rozwój różnego rodzaju technik pozwalających przetwarzać tworzywa wielkocząsteczkowe, czy też nadawać im pożądane kształty. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie materiałów w pełni funkcjonalnych i charakteryzujących się dobrymi właściwościami użytkowymi. 10

Postawy procesu uplastyczniania Niestety stosunkowo niewielka ilość polimerów nadaje się do bezpośredniego stosowania, dlatego też większość tworzyw wielkocząsteczkowych wymaga odpowiedniego przetworzenia. Jednym z najważniejszych zagadnień związanych z przetwórstwem tworzyw sztucznych jest uplastycznianie materiałów polimerowych. 11

Uplastycznianie Uplastycznianie stanowi przejście materiału na skutek ogrzewania ze stanu stałego w stan plastyczny, następnie ciekły. Uplastycznianie ma szczególne znaczenie w metodach przetwórstwa takich jak wytłaczanie czy też wtrysk. Proces uplastyczniania odbywa się w układach uplastyczniających maszyn przetwórczych, głównie wtryskarek czy też wytłaczarek. 12

Układ uplastyczniający Układ uplastyczniający spełnia następujące funkcje: - nagrzewanie, prowadzące do odpowiedniego przebiegu stanów fizycznych tworzywa; - - sprężanie, wytworzenie w tworzywie zadanego przebiegu zmian ciśnienia; mieszanie, które prowadzi do ujednorodnienia przetwarzanego tworzywa; - transportowanie, przemieszczanie tworzywa przez układ. 13

Układy uplastyczniające Stosowanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych spełniających rolę układów uplastyczniających, które można podzielić na: - - układy ślimakowe, jedno lub wieloślimakowe; układy nieślimakowe, tłokowe lub też tarczowe; - układy mieszane, tłokowo- ślimakowe. 14

Układ uplastyczniający efekty cieplne Tworzywo w układzie uplastyczniającym nagrzewać się może wskutek ciepła doprowadzonego z grzejników Qg lub wytworzonego dzięki tarciu zewnętrznemu Qz oraz wewnętrznemu Qw tworzywa. Całkowity strumień ciepła Qc działający na tworzywo, w ujęciu ogólnym, równa się: Qc = Qg + Qz + Qw W części układu uplastyczniającego, w której tworzywo jest w stanie plastycznym lub ciekłym, Qz = O i zależność ma postać: Qc = Qg + Qw 15

Układ uplastyczniający efekty cieplne Przemianę tworzywa zachodzącą w układzie uplastyczniającym, podczas której spełnione są wcześniejsze zależności, przyjęto w literaturze nazywać przemianą politropową. (Przemiana politropowa to przemiana, podczas której ciepło właściwe nie ulega zmianie, co nie jest spełnione w procesie uplastyczniania) Jeśli Qg = O, to zależność Qc = Qg + Qz + Qw, przybiera postać: Qc = Qz + Qw A w odniesieniu do wymienionej części układu uplastyczniającego Qc = Qw Przemiana autotermiczna, czy też autogeniczna, jeśli spełnione są dwie powyższe zależności. 16

Uplastycznianie ślimakowe Uplastycznianie ślimakowe ma szczególne znaczenie w procesach wytłaczania i wtrysku. Ślimakowy układ uplastyczniający składa się z zespołu mechanicznego, który tworzą cylinder i obracający się ślimak umieszczony w jego wnętrzu. Zespół nagrzewająco- chłodzący, w którego skład mogą wchodzić np. grzejniki, nagrzewnice, urządzenia sterujące a także urządzenia pomocnicze, np. zawory odgazowujące. 17

Uplastycznianie ślimakowe W cylindrze znajdują się grzejniki oraz wentylatory, natomiast urządzenia sterująco- regulujące stanowią oddzielny element. Przetwarzany materiał na początku wprowadza się do zasobnika tworzywa, po czym jest on wprowadzany do układu ślimakowego, gdzie następuje jego uplastycznianie. Uplastycznione tworzywo przechodzi dalej do narzędzia, w przypadku wytłaczania głowicy wytłaczarskiej, w przypadku wtrysku - do formy wtryskowej. 18

Przykładowy ślimakowy układ uplastyczniający Klasyczny ślimak posiada złożona konstrukcję i jest podzielony na następujące strefy (Rys. 5.1.1./1. oznaczenia rysunków zgodne z poradnikiem Tworzywa Sztuczne w Praktyce, pod kierunkiem prof. Józefa Haponiuka): strefa pierwsza zasypu; strefa druga zasilania; strefa trzecia przemiany (sprężania); strefa czwarta dozowania. 19

Przykładowy ślimakowy układ uplastyczniający Rys. 5.1.1./1. Typowy ślimakowy układ uplastyczniający: 1 ślimak, 2 cylinder, 3 grzejniki, 4 zasobnik tworzywa, 5 ruch przetwarzanego tworzywa, 6 ruch obrotowy ślimaka, 7 ruch postępowo- zwrotny ślimaka. 20

Strefy ślimakowego układu uplastyczniającego Strefa pierwsza zasypu (długość 1,5-2 D, gdzie D oznacza średnicę zewnętrzną ślimaka). Część ślimaka znajdująca się najbliżej otworu zasypowego. Strefa ta odbiera granulat lub też proszek z zasobnika tworzywa. Strefa druga zasilania (długość 4-15 D), w tej strefie w postaci granulatu jest nagrzewane, sprężane i transportowane, w tworzywie zaczynają zachodzić przemiany. Strefa trzecia przemiany (długość 5-10 D), tworzywo przechodzi w stan plastyczny lub też ciekły. Strefa czwarta dozowania (długość 5-10 D), tworzywo ostatecznie przechodzi w stan plastyczny lub ciekły, w tej strefie następuje także ujednorodnienie przetwarzanego materiału. 21

Charakterystyka ślimaka Rys. 5.1.1./2. Charakterystyka klasycznego ślimaka: I strefa zasypu, II strefa zasilania, III strefa przemiany, IV strefa dozowania, L długość części roboczej, D zewnętrzna średnica, h głębokość kanału, t skok linii śrubowej, b szerokość kanału śrubowego, α - kąt pochylenia linii śrubowej, e szerokość zwoju, s grubość szczeliny. 22

Charakterystyczne elementy geometryczne ślimaka - stosunek L/D, długość części roboczej do średnicy zewnętrznej ślimaka; - głębokość kanału h, największa w strefie I, najmniejsza w IV; - rdzeń ślimaka, (D r = D 2h); - szerokość kanału śrubowego b, b = (t- e) cosα; - skok linii śrubowej zwoju t; - kąt pochylenia linii śrubowej - α; - stromość linii śrubowej zwoju - γ; γ = tgα = t/πd; - szerokość grzbietu zwoju e; - krotność zwojów; Wartości przedstawionych charakterystycznych elementów ślimaka są dobierane w zależności od metody oraz odmiany przetwórstwa, rodzaju przetwarzanego materiału oraz końcowych właściwości produktu. - szczelina s, pomiędzy grzbietem zwoju i powierzchnią wewnętrzną cylindra. 23

Ślimaki Ślimaki w układzie jednoślimakowym można podzielić na ślimaki klasyczne, które posiadają kanał ciągły wzdłuż całej długości części roboczej oraz redukcję miejscową, całkowita równą jeden lub większą. Jednak układy te stosowane są coraz rzadziej ze względu na niezadowalającą efektywność procesu zachodząca w układzie uplastyczniającym. Kolejny rodzaj ślimaków to układy niekonwencjonalne, do których można spośród wielu różnorodnych układów zaliczyć np. ślimak Maillefera, Barra, Daraya, czy Klima stanowiących podstawowe konstrukcje ślimaków zaporowych niekonwencjonalnych (Rys. 5.1.1./3.). 24

Konstrukcje ślimaków Rys. 5.1.1./3. Odmiany konstrukcyjne ślimaków niekonwencjonalnych w wyglądzie na strefę przemiany i w rozwinięciu tej strefy. a) ślimak Maillefera, b) ślimak Baara, c) ślimak Draya, d) ślimak Kima. 25

Ślimaki specjalne Znane są również ślimaki określane jako specjalne, które charakteryzują się specjalną konstrukcją elementów zwiększających ścinanie i mieszanie tworzywa w układzie uplastyczniającym. Elementy te mają najczęściej kształt pierścieni o różnych rowkach, bądź kształt różnych występów, które mocuje się na ślimaku (Rys. 5.1.1./3.). Elementy intensywnego ścinania są umiejscowione najczęściej w obszarze strefy dozowania, natomiast elementy intensywnego mieszania na końcu ślimaka. Istnieje bardzo dużo rozwiązań konstrukcyjnych ślimaków. Zagadnienia dotyczące projektowania tego typu narzędzi są wciąż rozwijane. Kryteria oceny ślimaków są często złożone i niekiedy trudno jest wybrać najbardziej odpowiedni ślimak do określonego zastosowania. 26

Konstrukcja nowoczesnego ślimaka przeznaczonego do wytłaczania LDPE Rys. 5.1.1./3.: 1 część robocza o kanale ciągłym, 2 element intensywnego mieszania, 3 element intensywnego ścinania, 4 końcówka ślimaka, 5 otwór do chłodzenia ślimaka. 27

Układy dwuślimakowe Oprócz całej gamy układów uplastyczniających jednoślimakowych, bardzo często stosowane są także ślimaki działające układzie podwójnym układzie dwuślimakowym. Układy uplastyczniające dwuślimakowe, o ślimakach jednakowej długości można podzielić ze względu na kierunek obrotu ślimaków na: współbieżne (zgodny ruch obrotowy ślimaków) oraz ślimaki przeciwbieżne (ślimaki poruszają się w przeciwnych kierunkach). Rozróżnia się jeszcze podział ze względu na zazębianie sie zwojów, na ślimaki: zazębiające się szczelnie, zazębiające się nieszczelnie oraz niezazębiające się. Dodatkowo rozróżnia się także dwa podstawowe geometryczne kształty ślimaków walcowe oraz stożkowe. 28

Układy dwuślimakowe Rys. 5.1.1./3. Schematy ślimaków: a) Mapre, b) Colombo, c) Kestermann, d) Cincinnan i Krauss Maffei, e) Klasyczne ślimaki ze zmniejszaniem skoku linii śrubowej w sposób stopniowy, f) Klasyczne ślimaki ze zmniejszaniem skoku linii śrubowej w sposób ciągły. 29

Układy wieloślimakowe W celu zwiększenie natężenia wypływu tworzywa z układu uplastyczniającego czy też polepszenia jakości wyrobów, opracowano układy trój- i więcej ślimakowe, układy kaskadowe, planetarne i inne. Na przykład w układzie trójślimakowym często jeden ślimak (główny) posiada większa średnicę, natomiast pozostałe dwa (boczne) mniejszą i umieszczone są wzdłuż jednej osi. Z kolei układy czteroślimakowe bywają typu gwiazdy (gdy ślimak centralny ma większą średnicę) oraz typu pierścienia, gdy wszystkie ślimaki mają jednakową średnicę. 30

Uplastycznianie bezślimakowe Proces uplastyczniania bezślimakowego zachodzi wtedy, gdy uplastycznianie odbywa się bez udziału ślimaka. W obrębie uplastyczniania bezślimakowego można wyróżnić uplastycznianie bezślimakowe, tarciowe, pierścieniowe, wirnikowe, planetarne oraz liniowe. Do najstarszego procesu uplastyczniania należy niewątpliwie uplastycznianie tłokowe. W skład układu tłokowego wchodzi: zespół mechaniczny reprezentowany przez cylinder z końcówką oraz tłok, zespół nagrzewająco- ochładzający (grzejniki) oraz urządzenia sterująco- regulujące. 31

Uplastycznianie bezślimakowe Rys. 5.1.2./1. Układ tłokowy: 1 dysza, 2 cylinder, 3 grzejnik, 4 otwór zasypowy, 5 tłok. 32

Układ tłokowy Zasada działania układu tłokowego jest bardzo prosta. Na skutek przewodzenia ciepła od cylindra nagrzewa się tworzywo, które będąc juz w stanie plastycznym zostaje przemieszczone pod ciśnieniem, przy użyciu tłoka, do narzędzia formującego. Metoda ta z racji swojej prostoty posiada niestety wady, a mianowicie uplastycznianie tworzywa jest dość utrudnione oraz jednorodność uplastycznionego materiału jest niska. Dlatego też tę metodę uplastyczniania stosuje się stosunkowo rzadko, na przykład gdy objętość tworzywa uplastycznianego jest niska (nie przekracza 10 cm 3 ), w przypadku otrzymywania wytworów, którym nie stawia się dużych wymagań jakościowych. 33

Uplastycznianie tłokowe Można stosować wtedy, gdy potrzebne jest wytworzenie bardzo wysokiego ciśnienia tworzywa do około 210 MPa, do uplastyczniania niektórych mieszanek elastomerowych. Z uwagi na specyficzne właściwości cieplne i bardzo dużą wrażliwość PTFE na działanie naprężeń ścinających i ściskających oraz małą odporność na aglomerowanie podczas ruchu granulatu, do uplastyczniania politetrafluoroetylenu może być zastosowany proces wytłaczania tłokowego. Obecnie metoda uplastyczniania tłokowego stosowana jest w przypadku niektórych wtryskarek. 34

Uplastycznianie mieszane Częściej stosowanym przypadkiem uplastyczniania bezślimakowego jest tak zwane uplastycznianie mieszane, czyli tłokowo- ślimakowe. Rys. 5.1.2./2. Układ uplastyczniający ślimakowo- dwutłokowy: 1,7 tłoki, 2,8 cylindry układów tłokowych, 3 ślimak, 4 cylinder układu ślimakowego, 5 zasobnik, 6 grzejniki, 9 dysza, 10 zawór rozdzielający. 35

Uplastycznianie mieszane W skład tego układu wchodzi układ ślimakowy wraz z dwoma układami tłokowymi. Przerabiany materiał poddaje się wstępnie uplastycznianiu przy użyciu układu ślimakowego a następnie zostaje on przemieszczony do jednego z układów tłokowych, w którym także się uplastycznia. Podczas ciągłego ruchu ślimaka, obraca się rozdzielacz i materiał przesuwa się do kolejnego układu tłokowego. Z kolei tworzywo będące w pierwszym układzie tłokowym, zostaje przy użyciu tłoka przemieszczone przez rozdzielacz oraz końcówkę do narzędzia. Opisywany układ mieszany odznacza się stosunkowo dużym natężeniem przepływu przy stosunkowo niewielkich rozmiarach i może być zaadoptowany do wytłaczania jak i wtryskiwania. 36

Literatura [1] Praca zbiorowa pod red. R. Sikora, Przetwórstwo tworzyw polimerowych, podstawy logiczne, formalne, i terminologiczne, WPL, Lublin, 2006. [2] R. Sikora, Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych, WE Zofii Dobkowskiej, Warszawa, 1993. [3] R. Sikora, Techniki wytwarzania, Przetwórstwo tworzyw sztucznych, PWN, Warszawa, 1982. [4] Saechtling, Poradnik Tworzywa sztuczne, wydanie V, WNT, Warszawa, 2000. [5] L. A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa, 2002. [6] B. Łączyński, Przetwórstwo tworzyw sztucznych, PWSZ, Warszawa, 1967. [7] B. Łączyński, Maszyny przetwórcze tworzyw sztucznych, PWSZ, Warszawa, 1967. 37

Literatura cd.. [8] B. Łączyński, Tworzywa sztuczne i ich przetwórstwo, PWN, Warszawa, 1978. [9] I. Hyla, Tworzywa sztuczne, własności przetwórstwo zastosowanie, PWN, Warszawa, 1984. [10] J. Kamiński, Technologia tworzyw sztucznych, przetwórstwo, WPW, Warszawa, 1985. [11] A. Smorawiński, Technologia wtrysku, WNT, Warszawa, 1970. [12] A. Smorawiński, Technologia wtrysku, wydanie II, WNT, Warszawa, 1984. [13] H. Zawistowski, Wytłaczanie tworzyw sztucznych, Plastech WPiKT, Warszawa, 1999. [14] H. Zawistowski, Technologie wtryskiwania, jakość i efektywność, Plastech WPiKT, Warszawa, 2000. [15] F. Johannaber, Wtryskarki, poradnik użytkownika, wydanie I, Plastech WPiKT, Warszawa, 2000. [16] Ch. A. Harper, Handbook of Plastics Technologies, McGraw-Hill, United States, 2006. [17] D. H. Morton-Jones, Polymer processing, Chapman & Hall, London, 1989. [18] A. Brent Strong, Plastics, Materials and Processing, Second Edition, Prentice Hall, United States, 2000. 38

KONIEC 39