a. Облой (подлив, грат)
Это особенно характерно для тонкостенных изделий и изделий с длинными путями течения. Усилие, возникающее в форме, может превысить усилие запирания формы. В этом случае половинки формы приоткрываются и в образовавшийся зазор затекает материал. На изделии образуется облой. Его также называют подливом или гратом. Такой вид брака приводит к дополнительной обработке изделий (зачистке) и перерасходу материала. Эффективным способом устранения облоя является организация режима формования со сбросом давления (см. раздел «Режимы со сбросом давления»). Такой режим предотвращает развитие в форме чрезмерно высоких давлений. Если это не удается реализовать, нужно подобрать машину с большим усилием запирания формы, уменьшить давление литья Рл и время выдержки под давлением tВПД. Причиной образования облоя может быть чрезмерно низкая вязкость полимера. В результате этого под действием давления литья полимер проникает в зазоры половинок формы. Это особенно характерно для таких низковязких материалов как полиэтилентерефталат, полиамиды (особенно полиамид 66). Для устранения облоя в этом случае нужно уменьшить текучесть материала в форме. Для этого можно понизить температуру материала ТЛ и температуру формы Тф. Устранению облоя способствует понижение давления литья Рл и снижение объемной скорости впрыска Q.
b. Волнистая поверхность
«Волнистая» поверхность обычно образуется на изделии, если форма заполняется на двух режимах (см. раздел «Режимы заполнения формы»). Первый режим (I) — режим с постоянной объемной скоростью течения материала по форме. Он длится с момента начала заполнения и до момента достижения наибольшего (установленного) давления в гидроприводе Рmax. Заполнение формы в этом режиме обеспечивает хорошую внешнюю поверхность изделия. Если установленного давления в гидроприводе не хватает для того, чтобы заполнить форму по всей длине на первом режиме, начинается второй режим убывающей скорости течения (II). При течении материала с убывающей скоростью на поверхности изделия становятся видны мелкие волны (следы течения), которые создают мутность и рябую поверхность. Это ухудшает внешний вид изделия. Если внешний вид изделия имеет важное значение, заполнение формы необходимо осуществлять на первом режиме течения. Для этого нужно увеличить температуру материала Тл, повысить давление литья Рл, увеличить объемную скорость впрыска Q и повысить температуру формы Tф. Увеличить текучесть материала и обеспечить заполнение формы на первом режиме можно добавлением к основному материалу модифицирующих добавок. Если есть возможность, то для устранения рассматриваемого дефекта нужно перейти на более низковязкую марку полимера.
c. Спаи (холодные спаи, сварные швы, стыковые швы)
В период заполнения формы на поверхности изделия могут образовываться спаи, или их еще называют другими терминами — холодные спаи, сварные швы, стыковые швы. Спаи образуются в результате соединения двух (или нескольких) потоков расплава, образующихся при заполнении материалом формы. Образование спая в результате обтекания материалом вставки, находящейся в форме. Вставка разделяет поток расплава на два потока. После вставки два раздельных потока соединяются. В месте соединения потоков расплав сплавляется под действием давления литья и образуется монолит — спаи (стыковой шов). В месте соединении потоков (в спае) скапливается воздух и влага, которые содержатся в расплаве. Приток новых порций расплава отодвигает образовавшийся спай (стыковой шов) к поверхности изделия. Спай касается холодной стенки формы и на поверхности изделия остается тонкая слабо видимая риска. Спаи довольно сложно устранить. Технологические рекомендации по устранению спаев заключаются в том, чтобы добиться улучшения сваривания двух потоков расплава и уменьшить содержание влаги и посторонних загрязнений в расплаве. Для улучшения сваривания температуру материала Тл и температуру формы Тф следует увеличивать, давление литья Рл повышать, скорость впрыска Q увеличивать (табл.11.1). Заполнение формы необходимо проводить на первом режиме течения. Для снижения влаги материал нужно тщательно сушить перед переработкой. Важную роль в устранении спаев играет тщательная проработка расположения литников и вставок на стадии проектирования изделия. Спай можно устранить декорированном поверхности изделия, если спай не удалось устранить при проектировании изделия. В месте возможного образования спая делают так называемую «шагреневую кожу». Для чего в форме делают определенные рифления. Устранению спая способствует увеличение размеров поперечного сечения впусков.
d. Колебание веса изделий
Колебание веса изделий — разница веса отливок, получаемых от цикла к циклу на одной и той же форме. Причинами колебания веса могут быть следующие факторы: выбор машины сделан неверно, машина неправильно отрегулирована, неисправности в рабочих узлах машины. Машина может быть выбрана неправильно по объему отливки. Если объем отливки составляет менее 30% от номинального объема впрыска, погрешность на точность хода шнека, которая есть на машине, может влиять на отклонения веса изделий. Машина может быть выбрана неправильно по усилию запирания формы. Если усилие запирания недостаточно, то в различных циклах форма может по-разному увеличивать свой объем. Это является причиной колебания веса изделий. Такой же эффект возникает, если усилие запирания отрегулировано неправильно — на меньшую величину по сравнению с паспортной характеристикой. Колебание веса изделий может происходить в результате неисправностей клапана давления в гидросистеме литьевой машины. Если масло засорено или в масле есть вода, то может происходить ржавление и заедание клапана. Давление литья Рл от цикла к циклу может колебаться и в соответствии с этим будет колебаться вес изделия.
e. Плохой съем изделий
Плохой съем изделий из формы связан с повышенным прилипанием материала к внутренним стенкам полости формы. Плохой съем приводит к деформированию, образованию сколов, растрескиванию изделий при их съеме из формы, а также возникновению коробления изделий. Причинами плохого съема могут быть следующие факторы: литьевая форма неправильно сконструирована, наличие неровностей и поднутрений на форме, разница в температурах половинок формы. Для устранения прилипания исправляют форму. Эффективным способом улучшения съема изделий из формы является применение модифицирующих добавок, которые добавляют к основному материалу. Добавки создают адгезивный слой между полимером и внутренней поверхностью полости формы. Облегчению съема изделий из формы способствует изменение технологических параметров литья. Технологические параметры литья корректируют таким образом, чтобы уменьшить прилипание материала к металлу формы и снизить затекание материала в различного рода неровности и шероховатости, которые имеются на поверхности формы. Для этого понижают температуру материала Тл и температуру формы Тф, снижают давление литья Рл и время выдержки под давлением tвпд. Уменьшают продолжительность охлаждения tохл.
f. Недостаточный глянец
Глянец (блеск) — важный показатель внешнего вида изделий. Глянец поверхности изделия зависит от природы (свойств) материала, качества обработки формы, а также от технологии литья. К полимерным материалам, которые по своей природе имеют высокий показатель глянца относятся следующие: МСН — пластики, полиметилметакрилат ПММА, полистирол блочный общего назначения ПС, поликарбонат ПК, полисульфон ПСФ, АБС — пластики (особенно специальные марки с высоким показателем глянца), сополимеры формальдегида СФ, полиамид — 6, полиамид — 66, полиамид — 610, полиэтилентерефталат ПЭТФ, полибутилентерефталат ПБТФ, полиамид— 12. Для получения блестящей внешней (видовой) поверхности изделия нужно обеспечить хорошую обработку поверхности формы, оформляющую эту видовую поверхность. Угол отражения (глянец) зависит от режима течения материала в форме при заполнении. Для получения хорошей глянцевой поверхности нужно обеспечить, чтобы заполнение формы проходило на первом режиме — режиме постоянной объемной скорости течения (см. раздел «Режимы заполнения формы»), Если это не обеспечить, форма заполняется на втором режиме — режиме убывающей скорости течения. При таком режиме поверхность изделия становится волнистой и глянец исчезает. Для перехода от второго режима течения к первому и получения глянца нужно повысить температуру материала Тл и температуру формы Тф, а также увеличить давление литья Рл и объемную скорость впрыска Q. Поверхность изделия становится более глянцевой, если она в большей мере копирует поверхность формы (при условии высокого качества обработки поверхности формы). Для обеспечения этого время выдержки под давлением tвпд следует увеличивать. Поэтому увеличение времени выдержки под давлением tвпд способствует получению глянцевой поверхности. Для повышения глянца кристаллических материалов требуется получить при формовании аморфизированную структуру поверхностного слоя изделия. Это достигается понижением температуры материала Тл и температуры формы Тф, а также увеличением скорости впрыска Q и давления литья Рл.
g. Серебристые полосы
При течении гигроскопичных полимеров, если они недостаточно хорошо высушены, на поверхности фронта потока или около его внутренней поверхности находятся пузырьки влаги. После того, как пузырьки влаги достигли фронта потока, они начинают двигаться вместе с фронтом перпендикулярно основному потоку течения и доходят до стенок формы (см. раздел «Течение материала по форме»). На стенке формы пузырьки влаги расплющиваются и растягиваются по направлению течения материал. На поверхности изделия образуются характерные блески от влаги — серебристые полосы. Для устранения серебристых полос на поверхности изделий материал перед переработкой нужно тщательно сушить для уменьшения в нем влаги. Уменьшению «серебра» на поверхности изделий способствует понижение температуры материала Тл и снижение скорости заполнения формы Q.
h. Увеличенная толщина изделий
Причин увеличения толщины изделий по сравнению с заданной может быть несколько. Причиной увеличения толщины изделий может быть образование облоя (см. раздел «Облой»). Если образовался облой (подлив), половинки формы опираются на заусеницы и полость формы оказывается толще. Толщина изделия становится больше. Вес изделия увеличен. Причиной увеличения толщины изделий может быть ошибка в расчетах глубины формы при ее проектировании. Причиной увеличения толщины изделий может быть также значительное увеличение размеров формы (глубины) при формовании. Это происходит в результате недостаточной жесткости машины, высокой жесткости формы и высокого давления, развиваемого в форме при формовании (см. раздел «Изменение размеров формы при формовании»). Для устранения этого дефекта при проектировании формы необходимо правильно задать жесткость формы. Для уменьшения эффекта изменения размеров изделий при литье целесообразно применять режимы формования со сбросом давления (см. раздел «Режимы со сбросом давления»). Если это не удается реализовать, снижают давление литья Рл.
i. Излишний вес изделий
В случае, если изделие имеет все удовлетворительные показатели (внешний вид, механические свойства и пр. ), но есть стремление уменьшить вес изделий для экономии сырья, это можно достигнуть регулированием технологических параметров литья, которые влияют на подпитку материалом формы во время выдержки под давлением. Для уменьшения веса изделий следует сократить давление формования Рф, если применяют режим формования со сбросом давления (см. раздел «Режимы со сбросом давления»). Если на машине нет режима со сбросом давления, уменьшают давление литья Рл (табл. 11.1). Сокращают время выдержки под давлением, уменьшают ход шнека Н и увеличивают на 5-7 0С температуру материала Тл. Необходимо учитывать, что каждый из перечисленных параметров независимо от других приводит к уменьшению веса изделий. Поэтому одновременное изменение всех параметров для понижения веса может привести к недоливам. Приведенные параметры перечислены в последовательности их уменьшения влияния на изменение веса изделий. Для достижения желаемого результата следует последовательно изменять каждый технологический параметр в отдельности. При этом внимательно контролировать соответствие показателей качества изделия предъявляемым требованиям.
j. Пригары
Пригары — вид брака, при котором в крайних от литниках областях изделия образуются обугленные точки или участки. Этот вид брака связан с тем, что при впрыске в конце формы образуются замкнутые воздушные полости, в которых материал, затекающий в форму, запирает воздух. При быстром затекании (большая скорость впрыска) сжатие воздуха происходит мгновенно. В результате этого воздух разогревается до 400 — 600°С. Этот раскаленный воздух сжигает фронтальные слои материала. На изделиях появляются черные обугленные участки. Для устранения этого дефекта при проектировании формы требуется предусмотреть каналы для выхода воздуха. В случае возникновения этого дефекта на уже изготовленных формах следует уменьшить объемную скорость впрыска Q (табл. 11.1). Уменьшению пригаров способствует также снижение давления литья Рл.
k. Пустоты
Пустоты представляют собой каверны и пузыри внутри изделия. При образовании пустот необходимо проверить объем впрыска (ход шнека Н). Если Vвпр {Н} окажется недостаточным, его следует увеличить. Нужно также проверить работу клапана наконечника шнека. При впрыске материала в форму не должно быть утечек в обратном направлении (см. раздел «Рекомендации по организации процесса пластикации»). На образование пустот оказывают влияние технологические параметры литья. Для уменьшения пустот нужно увеличить подпитку материалом формы при охлаждении для компенсации усадки. Для этого повышают давление литья Рл или давление формования Рф, если применяют режим формования со сбросом давления (см. раздел «Режимы со сбросом давления»), увеличивают время выдержки под давлением tвпд повышают температуру формы Тф. Уменьшению пустот способствует снижение теплового сжатия материала при охлаждении в форме. Для этого уменьшают температуру материала Тл. Увеличение размеров впуска улучшает подпитку материалом формы при охлаждении и уменьшает пустоты.
l. Дырки
Причиной образования дырки в одной из стенок изделия может быть нарушение соосности деталей формы. Рассмотрим это на примере простейшего изделия — стакан с центральным литником. Если соосность деталей формы не нарушена, то заполнение формы происходит равномерно по уровням, равноудаленым от литника. Образование брака типа «дырки» в этом случае исключено. Если соосность деталей формы нарушена, то заполнение такой простейшей формы происходит сложно. По той стенке формы (А), толщина которой меньше (в результате несоосности), затекание будет замедленным. Все другие стенки будут оформляться раньше, чем стенка А. Поэтому заполнение стенки А пойдет с боковых сторон. Если давление литья Рл недостаточно, то на стенке А образуется дырка. Если давление литья Рл достаточно, то на стенке А образуется спай. Для устранения таких видов брака нужно проверить соосность деталей формы и устранить нарушение соосности.
m. Недоливы
Недоливами называют неполное заполнение формы. Первая причина образования недоливов может заключаться в том, что неправильно подобрана марка полимера по вязкости. Для формования изделия требуется более низковязкая марка полимера с более высокой текучестью. В этом случае, если есть возможность, нужно перейти на более низковязкую марку полимера. Вторая причина — высокое гидравлическое сопротивление затеканию материала в форму. Для улучшения формуемости материала в форме используют регулирование технологических параметров литья. Повышают температуру материала Тл, т. к. вязкость материала уменьшается и текучесть повышается. Улучшению формуемости материала способствует повышение температуры формы Тф. но в меньшей мере, чем повышение температуры материала Тл. Недоливы устраняют увеличением скорости впрыска Q, повышением давления литья Рл, увеличением хода шнека Н (табл.11.1). Третья причина образования недоливов — неисправности в литьевой машине, приводящие к недостаточной порции материала для полного оформления изделия. Например, недоливы могут быть при износе клапана наконечника шнека. В этом случае материал при перемещении шнека вперед при впрыске поступает не только в форму, но и течет по виткам шнека в обратном направлении. Для устранения этого нужно заменить клапан наконечника шнека. Методика проверки клапана шнека дана в разделе «Рекомендации по организации процесса пластикации». Эффективным средством улучшения формуемости материала и устранения недоливов является применение модифицирующих концентратов.
n. Коробление
Коробление представляет собой отклонение поверхности изделия от базовой плоскости. Коробление возникает по нескольким причинам. Во-первых, коробление возникает в результате релаксации ориентации, возникающей при заполнении формы. Неравномерное охлаждение отдельных участков формы еще более увеличивает коробление изделий, т. к. степень снижения ориентации в этих участках различна. Причиной коробления может быть разная скорость кристаллизации на различных участках изделия. Разная скорость кристаллизации при охлаждении возникает из-за разницы в скоростях охлаждения разных участков изделия. Причиной коробления так же может быть разница в термическом изменении размеров отдельных участков изделия при охлаждении из-за разной скорости охлаждения этих участков. Для уменьшения коробления изделия следует стремиться обеспечить температурную однородность охлаждения. Для этого должно быть обеспечено равенство температур обеих половинок формы и однородность температурного поля по всей поверхности половинок формы. Коробление зависит от следующих технологических параметров: температуры литья Тл, температуры формы Тф, давления литья Рл, продолжительности операций цикла (время выдержки под давлением tвпд, общая продолжительность цикла tц). Коробление зависит от расположения впуска. Снижению коробления способствует увеличение времени выдержки материала в форме под давлением tвпд и времени охлаждения tохл (общей продолжительности цикла tц), т. к. в форме (где конфигурация изделия зафиксирована) полнее протекает кристаллизация и в большей степени снижается ориентация. Коробление уменьшается с понижением температуры материала Тл и температуры формы Тф. Снижению коробления способствует уменьшение давления литья Рл и увеличение объемной скорости впрыска Q, т. к. уменьшается ориентация, возникающая при заполнении формы (см. раздел «Ориентация и внутренние напряжения»). Снижению коробления способствует применение режимов формования со сбросом давления (см. раздел «Режимы со сбросом давления»).
o. Утяжины
Утяжины представляют собой местные углубления на поверхности изделия, связанные с неравномерным охлаждением отдельных участков изделия. Утяжины образуются за счет местных утолщений на обратной стороне изделия (ребра жесткости, бабышки, изменение толщины стенок). Основной способ устранения утяжин — это правильное проектирование форм. Не рекомендуется размещать утолщения (ребра жесткости, бабышки и пр. ) на обратной стороне видовых наружных поверхностях изделия. Чистота обработки формы подчеркивает утяжины. Чем выше чистота обработки формы, тем яснее проявляются все световые эффекты и все мельчайшие неровности (углубления) поверхности. Поэтому, если расположение утолщений избежать невозможно, то их отрицательное влияние может быть сглажено созданием матовой поверхности или, так называемой, «шагреневой кожи». Для этого делают специальные рифления на поверхности формы, которые при формовании отпечатываются на поверхности изделия. Регулирование технологических параметров так же способствует уменьшению утяжин. Для уменьшения утяжин понижают температуру материала Тл и температуру формы Тф. Уменьшению утяжин способствует повышение давления литья Рл и времени выдержки под давлением tвпд, т. к. увеличивается подпитка материалом формы и компенсируется усадка материала в результате охлаждения. С целью уменьшения утяжин повышают объемную скорость впрыска Q. Для выбора наиболее эффективного параметра (Тл или Рл) для уменьшения утяжин необходимо оценить расположение утяжин по отношению к впуску. Утолщение может быть близко расположено к впуску. В этом случае целесообразно устранить утяжину снижением температуры материала Тл, т. к. давление, возникающее в этой точке в период подпитки достаточно велико, чтобы сформировать качественную поверхность изделия. Если утолщение расположено достаточно далеко от впуска, то давления в точке Б может не хватить, чтобы компенсировать температурную усадку материала. Давление в т. Б меньше, чем давление в точке А в результате возникающего перепада давления по длине формы. В этом случае целесообразно увеличить давление литья Рл. Увеличение размеров впуска способствует уменьшению утяжин, т. к. в большей мере компенсируется усадка материала при охлаждении.
среда, 6 июля 2011 г.
Практическая идентификация пластмасс
Необходимость таких действий вызывается множеством практических причин. Например, при конструировании нового изделия по имеющемуся образцу требуется установить, из какого материала изготовлен аналог, и выбрать пластик, обеспечивающий новому изделию конкурентное превосходство. В конфликтных ситуациях бывает необходимо установить, действительно ли то или иное изделие изготовлено из пластмассы (ПМ), выбранной его разработчиком. При получении сырья без надлежащих характеристик может потребоваться установление его вида, а лучше, если возможно, марки. Также в ряде случаев требуется проверить полученное сырье или определить, из свежего или вторичного сырья, или их смеси получено изделие, что актуально для экструзионного производства, и т.д.
Примерный алгоритм идентификации ПМ выглядит следующим образом.
1. Установление группы, к которой относится оцениваемый материала — термопласт или реактопласт.
2. Установление вида полимера или полимерной матрицы.
3. Оценка содержания и вида наполнителя.
4. Оценка наличия модификаторов.
В соответствии со сложностью решаемых задач применяются две группы методов. Первая, достаточно простая, основана на последовательном исключении возможных вариантов с помощью простейших испытаний, включающих и органолептический подход. Вторая, аппаратурная — состоит в системном экспериментальном анализе, выполненном с привлечением сложной лабораторной техники.
1. Упрощенная оценка
Эта стадия идентификации состоит из действий, перечисленных в пунктах А, Б и В.
А) Идентификацию начинают с установления, является ли оцениваемый ПМ термопластом или относится к термореактивным материалам (реактопластам).
Для этой цели предлагается использовать паяльник, горячую палочку или нагретую спицу. Суть испытания состоит в оценке реакции ПМ на контактное воздействие горячего предмета, температура которого должна быть не менее 250°С. Данное испытание чаще всего проводят, используя пламя газовой горелки или зажигалки.
Термопласт при нагреве поверхности размягчается и загорается. Реактопласт — обугливается без размягчения, может с трудом загореться.
Б) Оценивают плотность испытуемого ПМ. Как правило, используют метод погружения образца в жидкость с известной плотностью по принципу «плавает или утонет».
Начинают с воды. Все полимерные материалы с плотностью r<1г/см3 будут, естественно, плавать. Это, прежде всего, такие термопласты как ПЭНП, ПЭВП, ПП, СЭП, СЭВ и некоторые другие Остальные термопласты с r>1 г/см3 утонут. Заметим, что интервал плотностей тонущих в воде термопластов составляет от 1,07 1 г/см3 — для ПС до 2,30 1 г/см3 — для ПТФЭ марки Ф-4. В некоторых источниках рекомендуется в качестве жидкости с большей, чем у воды, плотностью использовать раствор тиосульфата натрия (70 г ТСН на 60 мл воды) с плотностью r = 1,11 г/см3. В этом случае будут плавать образцы ПС, САН, АБС-пластика и ПА. Для дальнейшего испытания можно использовать 25% раствор NaCl (поваренная соль) в воде. Плотность такого раствора составляет 1,2 1 г/см3.
Более универсальным и несложным в использовании является гидростатический метод, позволяющий определять плотность любых ПМ с r>1 г/см3 — наполненных, армированных, усиленных и пр. Основными элементами метода являются рычажные весы и стакан.
Образец ПМ взвешивают с точностью до 0,002 г, погружают в спирт или петролейный эфир (то есть, в жидкость, в которой полимер не растворяется и не набухает) для удаления с поверхности таблетки пузырьков воздуха и затем вытирают фильтровальной бумагой. После этого образец подвешивают на очень тонкой проволоке к крючку над чашкой весов и подставляют стакан с жидкостью, в которой проводят определение (образец не должен в ней растворяться и набухать в процессе измерения). Стакан ставят на специальную подставку, которая не должна касаться чашки весов. Образец с проволокой погружают в воду при 20 °С и взвешивают. Затем взвешивают проволоку без образца при том же уровне погружения.
Плотность полимера r (в г/см3) вычисляют по формуле:
r = gr0/[g–(b1–b2)]
где g — вес таблетки полимера на воздухе, г; b1 — вес таблетки и проволоки в воде, г; b2 — вес проволоки в воде, г; r0 — плотность воды или другой жидкости при 20 °С, (для воды r0=0,9983), г/см3.
В) Испытание на горение. Образец вводят в бесцветную область пламени газовой горелки Бунзена или зажигалки и наблюдают за нижеследующим:
1. Горит ли ПМ.
2. Каков цвет пламени.
3. Каков запах горящего ПМ.
4. Как происходит горение (быстро или медленно, с образованием капель, растрескиванием, цвет образующегося дыма).
5. Продолжает ли гореть ПМ после удаления образца из источника пламени.
Образец полимера массой до 1 г, как правило, 0,1–0,3 г, на стеклянной лопаточке или закрепленный на конце отрезка медной проволоки, вносят в пламя горелки (синий конус) и отмечают особенности процесса пиролиза.
Упрощенная идентификация позволяет получить лишь самые общие, ориентировочные данные. Из-за сложности состава промышленных полимеров, включающих такие компоненты, как пластификаторы, стабилизаторы, разнообразные ингибиторы (антифоги, антирады, антипирены, антистатики и т.д.). Кроме того, в отдельных случаях в состав ПМ вводят так называемые «отдушки», существенно изменяющие запах материала.
Вероятность ошибок упрощенной идентификации вполне очевидна. Отсюда следует необходимость продолжения действий по идентификации ПМ, но уже с привлечением объективных аппаратурных методов.
2. Уточненная идентификация
Современные ПМ являются сложными многофакторными объектами. Их полимерная компонента может быть представлена не только гомополимерами, но и двойными и тройными сополимерами, смесевыми составами, может быть подвергнута модификации, изменяющей доминантные идентификационные признаки высокомолекулярного органического вещества. Наличие в составе ПМ добавок различного назначения еще больше осложняет задачу исследователя. В связи с изложенным, уточненная идентификация ПМ требует современного прецизионного оборудования и высокой квалификации и опыта исследователя. В табл. 1 приведен список основных методов, применяемых для аппаратурной идентификации ПМ.
Таблица 1. Основные аппаратурные методы идентификации полимеров
В условиях решения практических задач наиболее часто используются ИК-Фурье-спектроскопия, дериватография, термосканирование и термомеханический анализ. Возможно использование капиллярной вискозиметрии.
2.1 Фурье-инфракрасная спектроскопия
Этот вид спектроскопии отличается от традиционной инфракрасной разновидности тем, что получаемая прибором интерферограмма преобразуется в ИК-спектр не напрямую, а через уравнение Фурье по косинусам, что резко расширяет возможности метода, позволяет отказаться от длительной операции подготовки образцов, расширить круг объектов исследования, многократно упрощает операцию снятия ИК-спектра.
Принципиально ИК-спектроскопия позволяет оценить способность объектов, совершающих колебательные движения, поглощать воздействующую на них энергию ИК-облучения. Эффект поглощения объекта, совершающего колебательное движение, наступает в условиях резонанса, когда собственная частота объекта совпадает с внешней. Поскольку каждый из фрагментов вещества, а в нашем случае полимера, а точнее его макромолекул, от атомов до звеньев макромолекул, отражающих их химическое строение, характеризуется своей собственной частотой колебаний, то есть, своей поглощающей способностью, то, фиксируя эту характеристику, можно определить, из каких кинетических единиц состоит исследуемое вещество и, следовательно, идентифицировать его. Некоторые полосы ИК-поглощения изменяются в зависимости от конформации цепи, поэтому ИК-спектроскопия позволяет определить степень кристалличности, раздельно определить наличие аморфной и кристаллической частей в аморфно-кристаллическом полимере. Для характеристик положения полос поглощения в ИК-спектре используют либо длину волны (размерность мкм), либо так называемое волновое число (размерность см–1). Между этими параметрами существует простое соотношение
[см-1] = 104 [мкм–1]
Спектр поглощения каждого вещества абсолютно индивидуален.
2.2 Дериватография (термогравиметрия)
Метод дериватографии заключается в измерении потерь массы образцом ПМ в зависимости от величины и (или) скорости изменения температуры.
Для регистрации изменения массы используют высокочувствительные дериватографы, главными элементами которых являются прецизионные весы с точностью измерения 0,01 мг и высокоточное нагревательное устройство с программным регулятором температуры.
Термогравиметрию полимеров можно проводить в статическом режиме при заданной постоянной температуре и в режиме динамическом, когда температура изменяется с заданной скоростью.
Статический метод применяют, как правило, для оценки химических превращений в полимере во времени. Динамический метод используют значительно чаще, поскольку он позволяет оценить как структурные, так и химические изменения в полимере (переход из одного физического или фазового состояния в другое, деполимеризация, окисление), так и определить температуру начала и темп развития процессов деструкции.
Термогравиметрический анализ состоит, таким образом, в непрерывном фиксировании изменения массы нагреваемого образца и состояния его теплосодержания.
При оценке термостойкости сравнивают температуры начала потери массы (T0), потери массы в количестве 5% (Т5); 10% (Т10); 20% (Т20); 50% (Т50). При сопоставлении сведений по термостойкости пластмасс необходимо обязательно учитывать значение потери массы, при котором выполнено то или иное определение данного параметра.
Таким образом, термогравиметрический анализ позволяет решать комплекс практических задач — задачу идентификации ПМ, а также установление предельной температуры переработки пластмассы в изделия из расплава, оценка термостабильности расплава полимера, когда в нем не происходят химические изменения, выбор добавок для регулирования свойств полимера по их поведению при нагревании (добавки не должны претерпеть изменений при плавлении полимера).
2.3 Термосканирование
Метод предназначен для определения температуры и оценки фазовых переходов и других процессов, связанных с поглощением или выделением тепла. Теплосодержание вещества, отражаемое изменением температуры, регистрируемым прецизионными термопарами, размещенными в исследуемом образце и в эталоне из оксида алюминия, позволяет выполнить идентификацию ПМ по: температуре плавления, температуре стеклования, по наличию полиморфных переходов, по характеру проявления процесса плавления. Из перечисленных параметров наиболее доказательным является температура плавления, поскольку:
1) у каждого гомополимера, гомосополимера, олигомера и соолигомера свои индивидуальные температуры плавления;
2) введение добавок (кроме пластификаторов) в содержаниях до 2%, дисперсного наполнителя в содержании до 10–15% влияет на значение температуры плавления в узком её интервале;
3) введение пластификаторов всегда существенно понижает температуру плавления. Именно этот параметр является надежным идентификационным признаком при термосканировании.
Характер теплового эндопика может отражать и молекулярную полидисперсность полимера. Чем шире молекулярно-массовое распределение полимера, тем более «размытым» выглядит эндопик плавления на термограмме при совпадающем отсчетном значении температуры плавления.
2.4 Термомеханика
Термомеханический анализ требует приготовления специальных образцов и, следовательно, такого количества идентифицируемого материала, которое иногда бывает сложно обеспечить, особенно если в распоряжении исследователя имеются лишь небольшие по массе и сложные по конфигурации детали. Однако во всех других случаях термомеханика позволяет получить надежные идентификационные сведения.
По термомеханическим кривым (ТМК) устанавливают следующие идентификационные признаки: аморфность или кристалличность полимера, при наличии образцовой ТМК устанавливают присутствие пластификаторов и наполнителей, определяют характеристические температуры, оценивают различия между собой разных партий пластмасс одного вида или марки.
Корректно построенные ТМК — это графические изображения функции деформации пластмассового образца от температуры (аргумент) в условиях постоянного по величине и виду напряжения. В этом случае ТМК отвечает требованиям формальной логики. Одновременно это означает, что при снятии ТМК должны соблюдаться ряд обязательных условий, а именно:
а) неизменность химического и физического строения полимера;
б) неизменность состава и морфологии композита;
в) завершенность релаксационных процессов (отсюда нормированная скорость подъема температуры);
г) постоянство вида и значения напряжения по всему объему образца.
Для оценки термомеханических свойств пластмасс при сжатии можно использовать консистометр Хеплера, твердомер с термокамерой и измененным узлом приложения нагрузки к образцу, несложные рычажные нагружающие устройства в комбинации с термокамерой. Деформация может замеряться упрощенно — индикатором часового типа, или более сложным способом с применением индукционных датчиков.
Образец в виде цилиндра диаметром d и высотой h = (1¸1,5) d или призмы с плоскопараллельными торцами, установлен в измерительном узле прибора, и нагружен усилием, создающим напряжение сжатия s = const. Нагреватели прибора поднимают в измерительном узле температуру с заданной скоростью. Наблюдение за развитием деформации позволяет получить ТМК полимерного материала.
2.5. Капиллярная вискозиметрия
С помощью этого метода оценивают текучесть термопластичных ПМ. Сущность метода заключается в следующем. Гранулированный или порошковый ПМ загружается в камеру, в нижней части которой располагается шайба со стандартным капилляром Æ2,095±0,015 мм. Корпус нагрет до определенной температуры, при которой ПМ расплавляется. Под действием пуансона, нагруженного также определенным усилием, расплав продавливается через капилляр в виде экструдата. Включают секундомер и по прошествии некоторого отрезка времени, обычно 10–20 с, отрезают выдавившийся экструдат. Далее взвешивают этот отрезок и, зная время его выдавливания, рассчитывают показатель текучести расплава ПТР. Условия определения ПТР стандартизованы.
Метод ПТР пригоден в том случае, когда вид идентифицируемого ПМ уже установлен. Однако в ряде случаев метод позволяет уточнить марку полимера, поскольку каждая из них, как правило, предназначена для определенного вида переработки (литье под давлением, экструзия пленок, экструзия труб, листов и т.д.) и имеет свой, отличающийся от других ПТР.
Например, в маркировке ПЭНП (ПЭВД) указывается давление при полимеризации (первая цифра), две последующие цифры обозначают метод производства базовой марки (автоклавный или трубчатый реактор); четвертая цифра указывает на способ усреднения полимера; пятая — на группу плотности ПЭНП. Важно, что цифры, расположенные после тире, указывают на значение ПТР, увеличенное в 10 раз.
Например, обозначение 10703-020 показывает, что это базовая марка ПЭНП (1), полученная автоклавным синтезом (07), усредненная холодным смешением (0) и с плотностью третьей группы (3). ПТР той марки — 2 г/10мин. Таким образом, например, оценив методом горения, что идентифицируемый ПМ — полиэтилен, мы по значению ПТР можем уточнить, какой он — литьевой или экструзионный.
Для оценки ПТР используются отечественные стандартизованные приборы ИИРТ-1, ИИРТ-2 и т.д. Отечественному методу оценки ПТР соответствует Европейский стандарт ISO 1133-76, американский ASTM D 1238-73, стандарт ФРГ DIN 537355.
Примерный алгоритм идентификации ПМ выглядит следующим образом.
1. Установление группы, к которой относится оцениваемый материала — термопласт или реактопласт.
2. Установление вида полимера или полимерной матрицы.
3. Оценка содержания и вида наполнителя.
4. Оценка наличия модификаторов.
В соответствии со сложностью решаемых задач применяются две группы методов. Первая, достаточно простая, основана на последовательном исключении возможных вариантов с помощью простейших испытаний, включающих и органолептический подход. Вторая, аппаратурная — состоит в системном экспериментальном анализе, выполненном с привлечением сложной лабораторной техники.
1. Упрощенная оценка
Эта стадия идентификации состоит из действий, перечисленных в пунктах А, Б и В.
А) Идентификацию начинают с установления, является ли оцениваемый ПМ термопластом или относится к термореактивным материалам (реактопластам).
Для этой цели предлагается использовать паяльник, горячую палочку или нагретую спицу. Суть испытания состоит в оценке реакции ПМ на контактное воздействие горячего предмета, температура которого должна быть не менее 250°С. Данное испытание чаще всего проводят, используя пламя газовой горелки или зажигалки.
Термопласт при нагреве поверхности размягчается и загорается. Реактопласт — обугливается без размягчения, может с трудом загореться.
Б) Оценивают плотность испытуемого ПМ. Как правило, используют метод погружения образца в жидкость с известной плотностью по принципу «плавает или утонет».
Начинают с воды. Все полимерные материалы с плотностью r<1г/см3 будут, естественно, плавать. Это, прежде всего, такие термопласты как ПЭНП, ПЭВП, ПП, СЭП, СЭВ и некоторые другие Остальные термопласты с r>1 г/см3 утонут. Заметим, что интервал плотностей тонущих в воде термопластов составляет от 1,07 1 г/см3 — для ПС до 2,30 1 г/см3 — для ПТФЭ марки Ф-4. В некоторых источниках рекомендуется в качестве жидкости с большей, чем у воды, плотностью использовать раствор тиосульфата натрия (70 г ТСН на 60 мл воды) с плотностью r = 1,11 г/см3. В этом случае будут плавать образцы ПС, САН, АБС-пластика и ПА. Для дальнейшего испытания можно использовать 25% раствор NaCl (поваренная соль) в воде. Плотность такого раствора составляет 1,2 1 г/см3.
Более универсальным и несложным в использовании является гидростатический метод, позволяющий определять плотность любых ПМ с r>1 г/см3 — наполненных, армированных, усиленных и пр. Основными элементами метода являются рычажные весы и стакан.
Образец ПМ взвешивают с точностью до 0,002 г, погружают в спирт или петролейный эфир (то есть, в жидкость, в которой полимер не растворяется и не набухает) для удаления с поверхности таблетки пузырьков воздуха и затем вытирают фильтровальной бумагой. После этого образец подвешивают на очень тонкой проволоке к крючку над чашкой весов и подставляют стакан с жидкостью, в которой проводят определение (образец не должен в ней растворяться и набухать в процессе измерения). Стакан ставят на специальную подставку, которая не должна касаться чашки весов. Образец с проволокой погружают в воду при 20 °С и взвешивают. Затем взвешивают проволоку без образца при том же уровне погружения.
Плотность полимера r (в г/см3) вычисляют по формуле:
r = gr0/[g–(b1–b2)]
где g — вес таблетки полимера на воздухе, г; b1 — вес таблетки и проволоки в воде, г; b2 — вес проволоки в воде, г; r0 — плотность воды или другой жидкости при 20 °С, (для воды r0=0,9983), г/см3.
В) Испытание на горение. Образец вводят в бесцветную область пламени газовой горелки Бунзена или зажигалки и наблюдают за нижеследующим:
1. Горит ли ПМ.
2. Каков цвет пламени.
3. Каков запах горящего ПМ.
4. Как происходит горение (быстро или медленно, с образованием капель, растрескиванием, цвет образующегося дыма).
5. Продолжает ли гореть ПМ после удаления образца из источника пламени.
Образец полимера массой до 1 г, как правило, 0,1–0,3 г, на стеклянной лопаточке или закрепленный на конце отрезка медной проволоки, вносят в пламя горелки (синий конус) и отмечают особенности процесса пиролиза.
Упрощенная идентификация позволяет получить лишь самые общие, ориентировочные данные. Из-за сложности состава промышленных полимеров, включающих такие компоненты, как пластификаторы, стабилизаторы, разнообразные ингибиторы (антифоги, антирады, антипирены, антистатики и т.д.). Кроме того, в отдельных случаях в состав ПМ вводят так называемые «отдушки», существенно изменяющие запах материала.
Вероятность ошибок упрощенной идентификации вполне очевидна. Отсюда следует необходимость продолжения действий по идентификации ПМ, но уже с привлечением объективных аппаратурных методов.
2. Уточненная идентификация
Современные ПМ являются сложными многофакторными объектами. Их полимерная компонента может быть представлена не только гомополимерами, но и двойными и тройными сополимерами, смесевыми составами, может быть подвергнута модификации, изменяющей доминантные идентификационные признаки высокомолекулярного органического вещества. Наличие в составе ПМ добавок различного назначения еще больше осложняет задачу исследователя. В связи с изложенным, уточненная идентификация ПМ требует современного прецизионного оборудования и высокой квалификации и опыта исследователя. В табл. 1 приведен список основных методов, применяемых для аппаратурной идентификации ПМ.
Таблица 1. Основные аппаратурные методы идентификации полимеров
| Метод | Применение |
| Фурье-инфракрасная спектроскопия | Тип полимера, добавки |
| Дериватография (термогравиметрия) | Температуры отверждения, плавления, деструкции |
| Содержание твердых неорганических наполнителей | |
| Термосканирование | Температура и процесс плавления и деструкции |
| Дифференциальная сканирующая калориметрия | Процессы плавления, кристаллизации, степень кристалличности, содержание разнообразных добавок |
| Рентгеноструктурный анализ | Состав ПМ |
| Термомеханический анализ | Термо- и реактопласт, температуры размягчения, стеклования, высокоэластичности, параметры сетчатой структуры |
| Ядерный магнитный резонанс | Идентификация органических макромолекул и определение их структуры |
| Хроматография | Идентификация веществ |
| Масс-спектроскопия | Детальная идентификация строения полимера |
| Микроскопия — оптическая, электронная, сканирующая, атомно-силовая | Прямые сведения о морфологии поверхности образцов, надмолекулярной структуре, ее разновидностях и распределении. |
В условиях решения практических задач наиболее часто используются ИК-Фурье-спектроскопия, дериватография, термосканирование и термомеханический анализ. Возможно использование капиллярной вискозиметрии.
2.1 Фурье-инфракрасная спектроскопия
Этот вид спектроскопии отличается от традиционной инфракрасной разновидности тем, что получаемая прибором интерферограмма преобразуется в ИК-спектр не напрямую, а через уравнение Фурье по косинусам, что резко расширяет возможности метода, позволяет отказаться от длительной операции подготовки образцов, расширить круг объектов исследования, многократно упрощает операцию снятия ИК-спектра.
Принципиально ИК-спектроскопия позволяет оценить способность объектов, совершающих колебательные движения, поглощать воздействующую на них энергию ИК-облучения. Эффект поглощения объекта, совершающего колебательное движение, наступает в условиях резонанса, когда собственная частота объекта совпадает с внешней. Поскольку каждый из фрагментов вещества, а в нашем случае полимера, а точнее его макромолекул, от атомов до звеньев макромолекул, отражающих их химическое строение, характеризуется своей собственной частотой колебаний, то есть, своей поглощающей способностью, то, фиксируя эту характеристику, можно определить, из каких кинетических единиц состоит исследуемое вещество и, следовательно, идентифицировать его. Некоторые полосы ИК-поглощения изменяются в зависимости от конформации цепи, поэтому ИК-спектроскопия позволяет определить степень кристалличности, раздельно определить наличие аморфной и кристаллической частей в аморфно-кристаллическом полимере. Для характеристик положения полос поглощения в ИК-спектре используют либо длину волны (размерность мкм), либо так называемое волновое число (размерность см–1). Между этими параметрами существует простое соотношение
[см-1] = 104 [мкм–1]
Спектр поглощения каждого вещества абсолютно индивидуален.
2.2 Дериватография (термогравиметрия)
Метод дериватографии заключается в измерении потерь массы образцом ПМ в зависимости от величины и (или) скорости изменения температуры.
Для регистрации изменения массы используют высокочувствительные дериватографы, главными элементами которых являются прецизионные весы с точностью измерения 0,01 мг и высокоточное нагревательное устройство с программным регулятором температуры.
Термогравиметрию полимеров можно проводить в статическом режиме при заданной постоянной температуре и в режиме динамическом, когда температура изменяется с заданной скоростью.
Статический метод применяют, как правило, для оценки химических превращений в полимере во времени. Динамический метод используют значительно чаще, поскольку он позволяет оценить как структурные, так и химические изменения в полимере (переход из одного физического или фазового состояния в другое, деполимеризация, окисление), так и определить температуру начала и темп развития процессов деструкции.
Термогравиметрический анализ состоит, таким образом, в непрерывном фиксировании изменения массы нагреваемого образца и состояния его теплосодержания.
При оценке термостойкости сравнивают температуры начала потери массы (T0), потери массы в количестве 5% (Т5); 10% (Т10); 20% (Т20); 50% (Т50). При сопоставлении сведений по термостойкости пластмасс необходимо обязательно учитывать значение потери массы, при котором выполнено то или иное определение данного параметра.
Таким образом, термогравиметрический анализ позволяет решать комплекс практических задач — задачу идентификации ПМ, а также установление предельной температуры переработки пластмассы в изделия из расплава, оценка термостабильности расплава полимера, когда в нем не происходят химические изменения, выбор добавок для регулирования свойств полимера по их поведению при нагревании (добавки не должны претерпеть изменений при плавлении полимера).
2.3 Термосканирование
Метод предназначен для определения температуры и оценки фазовых переходов и других процессов, связанных с поглощением или выделением тепла. Теплосодержание вещества, отражаемое изменением температуры, регистрируемым прецизионными термопарами, размещенными в исследуемом образце и в эталоне из оксида алюминия, позволяет выполнить идентификацию ПМ по: температуре плавления, температуре стеклования, по наличию полиморфных переходов, по характеру проявления процесса плавления. Из перечисленных параметров наиболее доказательным является температура плавления, поскольку:
1) у каждого гомополимера, гомосополимера, олигомера и соолигомера свои индивидуальные температуры плавления;
2) введение добавок (кроме пластификаторов) в содержаниях до 2%, дисперсного наполнителя в содержании до 10–15% влияет на значение температуры плавления в узком её интервале;
3) введение пластификаторов всегда существенно понижает температуру плавления. Именно этот параметр является надежным идентификационным признаком при термосканировании.
Характер теплового эндопика может отражать и молекулярную полидисперсность полимера. Чем шире молекулярно-массовое распределение полимера, тем более «размытым» выглядит эндопик плавления на термограмме при совпадающем отсчетном значении температуры плавления.
2.4 Термомеханика
Термомеханический анализ требует приготовления специальных образцов и, следовательно, такого количества идентифицируемого материала, которое иногда бывает сложно обеспечить, особенно если в распоряжении исследователя имеются лишь небольшие по массе и сложные по конфигурации детали. Однако во всех других случаях термомеханика позволяет получить надежные идентификационные сведения.
По термомеханическим кривым (ТМК) устанавливают следующие идентификационные признаки: аморфность или кристалличность полимера, при наличии образцовой ТМК устанавливают присутствие пластификаторов и наполнителей, определяют характеристические температуры, оценивают различия между собой разных партий пластмасс одного вида или марки.
Корректно построенные ТМК — это графические изображения функции деформации пластмассового образца от температуры (аргумент) в условиях постоянного по величине и виду напряжения. В этом случае ТМК отвечает требованиям формальной логики. Одновременно это означает, что при снятии ТМК должны соблюдаться ряд обязательных условий, а именно:
а) неизменность химического и физического строения полимера;
б) неизменность состава и морфологии композита;
в) завершенность релаксационных процессов (отсюда нормированная скорость подъема температуры);
г) постоянство вида и значения напряжения по всему объему образца.
Для оценки термомеханических свойств пластмасс при сжатии можно использовать консистометр Хеплера, твердомер с термокамерой и измененным узлом приложения нагрузки к образцу, несложные рычажные нагружающие устройства в комбинации с термокамерой. Деформация может замеряться упрощенно — индикатором часового типа, или более сложным способом с применением индукционных датчиков.
Образец в виде цилиндра диаметром d и высотой h = (1¸1,5) d или призмы с плоскопараллельными торцами, установлен в измерительном узле прибора, и нагружен усилием, создающим напряжение сжатия s = const. Нагреватели прибора поднимают в измерительном узле температуру с заданной скоростью. Наблюдение за развитием деформации позволяет получить ТМК полимерного материала.
2.5. Капиллярная вискозиметрия
С помощью этого метода оценивают текучесть термопластичных ПМ. Сущность метода заключается в следующем. Гранулированный или порошковый ПМ загружается в камеру, в нижней части которой располагается шайба со стандартным капилляром Æ2,095±0,015 мм. Корпус нагрет до определенной температуры, при которой ПМ расплавляется. Под действием пуансона, нагруженного также определенным усилием, расплав продавливается через капилляр в виде экструдата. Включают секундомер и по прошествии некоторого отрезка времени, обычно 10–20 с, отрезают выдавившийся экструдат. Далее взвешивают этот отрезок и, зная время его выдавливания, рассчитывают показатель текучести расплава ПТР. Условия определения ПТР стандартизованы.
Метод ПТР пригоден в том случае, когда вид идентифицируемого ПМ уже установлен. Однако в ряде случаев метод позволяет уточнить марку полимера, поскольку каждая из них, как правило, предназначена для определенного вида переработки (литье под давлением, экструзия пленок, экструзия труб, листов и т.д.) и имеет свой, отличающийся от других ПТР.
Например, в маркировке ПЭНП (ПЭВД) указывается давление при полимеризации (первая цифра), две последующие цифры обозначают метод производства базовой марки (автоклавный или трубчатый реактор); четвертая цифра указывает на способ усреднения полимера; пятая — на группу плотности ПЭНП. Важно, что цифры, расположенные после тире, указывают на значение ПТР, увеличенное в 10 раз.
Например, обозначение 10703-020 показывает, что это базовая марка ПЭНП (1), полученная автоклавным синтезом (07), усредненная холодным смешением (0) и с плотностью третьей группы (3). ПТР той марки — 2 г/10мин. Таким образом, например, оценив методом горения, что идентифицируемый ПМ — полиэтилен, мы по значению ПТР можем уточнить, какой он — литьевой или экструзионный.
Для оценки ПТР используются отечественные стандартизованные приборы ИИРТ-1, ИИРТ-2 и т.д. Отечественному методу оценки ПТР соответствует Европейский стандарт ISO 1133-76, американский ASTM D 1238-73, стандарт ФРГ DIN 537355.
Радуга цвета супер-концентратов
Полимерные материалы изначально не имеют привлекательности по цвету и фактуре, но, поскольку изделия из пластика формуются из однородного расплава, им можно придать любые цветовые и фактурные свойства с помощью специальных добавок еще на стадии переработки. Производство подобных добавок можно организовать непосредственно на предприятии, объединив тем самым процессы переработки, прокраски и собственно изготовления красящей массы.
Просто добавь в… расплав
Окрашивание пластика проводится «в массе» — когда материал находится в расплавленном состоянии, к нему добавляют пигмент или краситель. При этом происходит диспергирование (рассредоточение) частиц последнего в массе полимера, что обеспечивает равномерность и насыщенность покраски.Основные преимущества окрашивания в массе:
сокращение технологических операций;
качество окраски сохраняется весь период эксплуатации изделия;
окрашенный слой не отслаивается из-за плохой адгезии или механических повреждений поверхности;
окрашенный в массе материал не выгорает.
Добавлять краситель в расплав пластика можно в виде порошка или в составе другого расплава. Окрашивание полимеров в массе путем добавления порошка красителя неудобно, так как это имеет ряд недостатков: неудовлетворительные оптические свойства окрашиваемого полимера, снижение механических показателей изделия, неоправданно высокий расход дорогостоящего красителя, трудность перехода от одного цвета к другому, вызванная чисткой оборудования. В основном все перечисленные недостатки имеют одно объяснение — сложность полного диспергирования (распределения) красителя в объеме полимера. Частички красителя агрегируются (слипаются), что приводит к возникновению разводов, тусклости и неравномерности окраски.
Выгода концентрирования
Для предотвращения описанных выше проблем, а также улучшения условий труда при окрашивании пластиков используют суперконцентраты красителей.
Суперконцентраты представляют собой дисперсии пигментов в веществах, легко совмещающихся с окрашиваемым полимером. Другими словами, при использовании суперконцентрата в объем полимера вводится уже диспергированный порошок красителя. При переработке частицы красящего вещества будут легко и равномерно распределяться по всему объему будущего изделия, не слипаясь и не оседая в нижней части материального цилиндра. В названии суперконцентратов приставка «супер» означает высокое содержание порошка красителя в красящей массе (до 90%). При этом наряду с суперконцентратами существуют просто концентраты красителей, которые содержат в своем составе до 20% пигмента. Производителям пластмассовых изделий более выгодно иметь дело с суперконцентратами, так как из-за высокого содержания пигмента их расход на производство значительно ниже. Основы
Под термином «суперконцентрат» понимается не только производство концентрированных красителей. К достаточно обширной группе специальных веществ, называемых суперконцентратами, также относятся: светостабилизаторы, антиоксиданты, антиперены, антистатики, антислипы, скользящие добавки, антиблоки, нуклеаты.
Красители — органические соединения, которые способны растворяться и придавать цвет материалу, а пигментами, как правило, называют нерастворимые вещества неорганического происхождения.
Пигменты в матрице
В зависимости от способа получения конечный красящий продукт может быть в виде гранул, порошка, пасты или раствора.
В простейшем виде суперконцентрат красителя представляет собой систему из двух компонентов: пигмента и матрицы (связующего вещества). В качестве матрицы могут быть использованы практически все полиолефины, полиолефиновые воска, полистирол, твердые эпоксидные смолы и т.д. Выбор таких материалов определяет способ получения суперконцентрата — диспергирование в расплаве, для чего используют двухшнековые экструдеры. Классификация суперконцентратов
Светостабилизаторы позволяют длительное время сохранять первоначальный цвет изделия и его механическую прочность, защищая изделие от ультрафиолетовых лучей. В качестве светостабилизаторов могут применяться производные бензонитризола, бензофенола, никелевые и кобальтовые соли замещенных фенолов и др. Светостабилизаторы эффективны даже при очень низких концентрациях (менее 0,1 %).
Антиоксиданты предотвращают термоокисление в процессе переработки полимера и замедляют деструкцию материала во время хранения и эксплуатации изделия. К антиоксидантам относятся смеси соединений фенолов и фосфидов.
Антипирены значительно снижают горючесть полимеров. Специальные антипирены используют для производства негорючих пленок, листов и литьевых изделий. К антипиренам относятся сульфат аммония, а также различные бромиды и хлориды.
Антистатики позволяют избавиться от статического эффекта, присущего всем полимерам. Антистатиками являются алкиламины. Скользящие добавки (слипы) применяются в качестве внутренней смазки в полимере. Такие добавки уменьшают вязкость расплава и существенно повышают производительность экструзии. Придают поверхности пленок и других полимерных изделий большую гладкость, блеск, глянец. Уменьшают коэффициент трения готовых изделий. К скользящим добавкам относятся производные высших жирных кислот.
Антислипы придают поверхности пленок шероховатость. Используются при производстве тары, мешков для упаковки сыпучих продуктов и прочих изделий, где шероховатость необходима. В качестве антислипа может использоваться сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
Антиблоки препятствуют слипанию готовых изделий, что особенно важно при производстве пленок. Пакеты, изготовленные из пленки с добавлением антиблоков, легко раскрываются, а стенки пакета не слипаются. В качестве антиблоков используются кремневая кислота или амидные воски.
Нуклеаты увеличивают коэффициент светопропускания, повышая прозрачность пленок. Также нуклеаты оказывают влияние на надмолекулярную структуру полимера, делая ее более мелкозернистой, благодаря чему существенно сокращается время кристаллизации, и процесс охлаждения изделия осуществляется быстрее. Нуклеаты применяются исключительно для полипропиленовых материалов. В качестве нуклеатов используются бензоаты натрия или флуоресцентные органические вещества, поглощающие ультрафиолетовое излучение.
Вспенивающие агенты разрыхляют структуру полимера. Используются для производства пористых изделий. В качестве вспенивающих агентов применяются трифторхлорметан, бензосульфонилгидразин и другие вещества.
Помимо перечисленных выше материалов, связывающим веществом могут быть пасты некоторых пластификаторов, стеорокс, а также латексы, в которые можно ввести пигмент путем перетира. Такой способ получения суперконцентратов аналогичен получению типографских офсетных красок на краскотерочных машинах.
При получении эмульсии пигмента в растворе полимера используют полистирол, полиуретан, поливинилацетат. В этом случае могут применяться лопастные смесители, миксеры и т.д.
Наиболее востребованы суперконцентраты, полученные методом диспергирования пигмента в расплаве полиолефинов, полиолефиновых восков и полистирола. Объясняется это прежде всего тем, что львиная доля перерабатываемых материалов — именно полиолефины.
Для окрашивания пластиков могут использоваться как неорганические, так и органические пигменты. Среди неорганических пигментов наиболее часто используют диоксид титана, карбонат кальция, сажу, кадмиевые, кобальтовые, железоокисные, хромовые пигменты, ультрамарин, литопон и др. Преимущества использования суперконцентратов
возможность окрашивания полимера в любые цвета;
высокое качество окраски;
окрашивание может производиться на любом стандартном оборудовании без каких- либо дополнительных материальных и временных затрат;
экологичность производства;
простота введения необходимого количества суперконцентрата в расплав полимера;
возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.
Из органических пигментов наиболее важными являются пигменты, имеющие молекулярно-кристаллическую структуру и отличающиеся нерастворимостью в окрашиваемых средах. К таким относятся азопигменты, фталоциановые пигменты, трифенилметановые и полициклические. Обладая более широкой гаммой ярких оттенков и большей красящей способностью, органические пигменты уступают неорганическим по термо-, свето- и атмосферостойкости, а также миграционной стойкости.
Зачастую к окрашенным изделиям из полимерных материалов предъявляют специфические требования. Например, если полимерное изделие находится в непосредственном контакте с пищевыми продуктами, то используемые добавки к полимерным материалам и суперконцентраты должны иметь соответствующее разрешение, то есть их выбор должен быть согласован с «Перечнем материалов», разрешенных Министерством Здравоохранения.
Цвет и Эффект
На данный момент имеется множество суперконцентратов, которые позволяют окрасить полимер практически в любой цвет и оттенок в пределах известной цветовой гаммы. Кроме того, появились суперконцентраты, позволяющие получить при окрашивании различные спецэффекты, от которых внешний облик изделий из полимеров существенно меняется.
К спецэффектам относятся перламутровые, флюоресцентные, опалесцирующие, фосфоресцирующие и радужные окраски полимеров. Добавки с такими эффектами используются в дорожных знаках, рекламе, спецодежде, игрушках и многих других изделиях, где важен визуальный эффект.
В суперконцентратах могут использоваться также флеки и флиттеры, как вкрапления в основную массу полимера волокон, чешуек или точек. С их применением возможно получать окраску «под горные породы» — мрамор, гранит и другие. Такие эффекты достигаются за счет того, что данные вкрапления являются окрашенными частицами полимеров с более высокой температурой плавления, чем окрашиваемый материал.
Производители
Производителей суперконцентратов на данный момент существует достаточно много. В основном это иностранные предприятия, которые предлагают как суперконцентраты, так и красители либо пигменты в чистом виде. Наиболее крупные — транснациональные корпорации Global Colors, Holliday Chemical Holding PLC, Schulman GmbH и такие компании как «Габриель-Хеми» (Австрия), Ampacet (Бельгия), Karl Finke, Sigmund Lindner GmbH (Германия), United Colors Corporation Limited (Таиланд) и др.
Все перечисленные компании имеют представительства и дилерские сети в Украине и России.
Помимо иностранных производителей суперконцентраты собственного производства предлагают ОАО «СТИРОЛ» (г. Горловка), ООО «Партнер» (г. Киев), ООО «Биохимсервис» (г. Полтава), ООО НПП «ПАКС» (г. Дергачи, Харьковская область), ЗАО «Сталкер М» (г. Санкт-Петербург), АО «Синтез» (г. Тамбов), ГП «ВИАМ-ПЛАСТКОЛОР» (г. Москва), ТОО «Спектропласт» (г. Москва), ООО «Евромастер» (г. Нижнекамск, Татарстан).
Сделай сам
Вопрос окраски пластиковой продукции актуален почти для всех перерабатывающих предприятий. Независимость от поставщиков и возможность более точного подбора необходимых свойств красящих веществ может обеспечить только собственное производство суперконцентратов на основе качественных красителей и пигментов.
Рассматривая производство суперконцентратов, имеет смысл остановиться на производстве методом диспергирования пигмента в расплаве полимера, так как суперконцентраты на основе полимеров, в частности полиолефинов, являются самыми востребованными.
Прежде всего, для организации производства суперконцентратов необходимо специальное оборудование. Так как в полимерную матрицу вводится достаточно большое количество пигмента, то используются только двухшнековые экструдеры. В отличие от одношнековых, они позволяют перерабатывать труднозахватываемые червяком порошкообразные, волокнистые, пастообразные материалы и материалы с высоким содержанием летучих веществ. Использование двухчервячных экструдеров позволяет:
компаундировать термопластичные материалы с различными добавками и модификаторами;
гранулировать термопласты;
удалять гелеобразные дефекты;
обеспечивают равномерное диспергирование пигмента;
смешивать различные термопласты;
возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.
Подобные экструдеры являются очень эффективными в процессах смешения и гомогенизации.
Зона загрузки двухчервячных экструдеров имеет больший объем, нежели зона сжатия. Именно это обстоятельство позволяет перерабатывать термопласты как в виде гранул, так и в виде порошка. Поскольку перемешивание происходит во всех направлениях, давление в зоне загрузки быстро повышается, и в экструдере достаточно активно идут процессы массообмена, теплообмена и выделения летучих веществ, которые удаляются в зонах дегазации.
Двухчервячные экструдеры на рынке представлены в основном азиатскими компаниями Shanghai Jwell Machinery Co Lt» (Китай),«Lider Makina San ve Tic Ltd St» (Турция) и европейским Reifenhauser GmbH & Co и APX GmbH (Германия), Cincinnati Extrusion GmbH (Австрия).
Помимо экструзионного оборудования для производства суперконцентратов необходимы дозаторы, вакуумные загрузчики и турбомиксеры. Все это оборудование используется для подачи в смеситель нужного количества подготовленного красителя.
Для дозирования необходимого количества вводимого в расплав полимера красителя можно рекомендовать голландские объемные дозаторы Movacolor и весовые дозаторы FERLIN Plastics Automation. Для подготовки и загрузки красителя и термопласта лучше использовать итальянские загрузчики, миксеры и дробилки фирмы Pulsotrinic.
Важные особенности
Несложно укомплектовать линию по производству суперконцентратов как на проектируемом, так и уже на действующем предприятии, учитывая, правда, определенные нюансы. К таким нюансам относятся производительность проектируемой линии, особенности подготовки сырья и рецептур будущих концентратов красителей.
Суперконцентрат может включать в себя как минимум два компонента: термопласт и пигмент. Число дополнительных компонентов не ограничено. Например, «белый» суперконцентрат состоит из полимерной матрицы — полиэтилен высокого давления, пигмента — диоксид титана с карбонатом кальция, и внутренней смазки — полиэтиленовый воск, способствующий гомогенигазации всей массы. Таким образом, для производства такой смесевой композиции необходимо большее количество дозаторов и дополнительных настроек экструдера.
Двухчервячные экструдеры характеризуются взаимным расположением червяков, характером их сопряжения и направлением вращения, степенью сжатия материала и некоторыми конструктивными особенностями червяков и материальных цилиндров. Перечисленные выше параметры могут сочетаться в различных комбинациях, что приводит к многообразию конструктивных решений.
Следует отметить, что производители оборудования для переработки термопластов предлагают не только отдельные агрегаты и машины, но и специально спроектированные линии для получения конкретного материала или изделия. Так, например, итальянская компания ICMA предлагает готовые линии для производства суперконцентратов.
На линиях ICMA MASTERBATCH можно получать суперконцентраты, содержащие от 50 до 80% пигмента. Такие линии обеспечивают переработку всех полиолефинов, а также полиэтилентерефталата, полистирола и полиамида, как связующих компонентов суперконцентратов. На рис. 1 приводится примерная схема получения суперконцентратов на оборудовании фирмы ICMA.
Сложные оттенки
Применение флеков и флиттеров позволяет придавать пластикам фактуру камня, мрамора или дерева
Стоит отметить, что производство суперконцентратов хоть и кажется достаточно простым, на самом деле имеет множество тонкостей. Примером может послужить приготовление суперконцентрата заданного оттенка.
Практически любой оттенок может быть получен путем смешения трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Каждый из этих цветов занимает одну треть видимой части спектра, а их сложение в одинаковых долях делает вещество или материал белым.
Комбинирование основных первичных цветов для получения новых (вторичных) осуществляется путем их сложения — аддитивное смешение (синтез). Существует также другой метод, который основан на вычитании — субтрактивное смешение. Смешивая вторичные цвета в различных пропорциях, можно получить полный круг цветности, включающий различные цветовые тона.
Поскольку пигменты и красители выпускаются различных цветов и оттенков, для получения конкретного цвета необходимо грамотно руководствоваться правилами субтрактивного вычитания и аддитивного сложения. Якость и насыщенность каждого из получаемых цветов зависит еще от множества других факторов. Таким образом, для того чтобы грамотно приготовить дисперсию суперконцентрата определенного цвета, необходимо привлекать колориста, знающего рецептуры и имеющего определенный опыт.
Кроме цветовых характеристик производства жесткие требования предъявляются и к исходным компонентам. Прежде всего, это касается красителей и пигментов. Они должны быть чистыми, тонкодисперсными, светостойкими, строго соответствовать колориметрическим показателям цветности и не мигрировать из объема полимера к поверхности.
При переработке в материальном цилиндре экструдера или литьевой машины красители должны выдерживать температуры, при которых плавится полимер, и не терять при этом своих оптических свойств. Именно по этому производители суперконцентратов отдают предпочтение красителям и пигментам таких авторитетных европейских компаний, как ГАК «Титан», MIKRO MINERAL, POLYALCO, NOVEON, OTSUKA CHEMICALS Ltd, «LORAMA CHEMICALS» EMSA TECNOLOGIA QUIMICA S.A., CEPSA, PDL, NUBIOLA, EASTERN CHEMICALS, IQAP GROUP, CCP, CHEM PARTNERS, JAYSYNTH и других.
Технологии по-украински
Инновационная технология производства суперконцентратов методом приготовления дисперсии в растворе полимера или полиолефинового воска разработана в Украинском Государственном Химико-Технологическом Университете. Технология основана на методике приготовления универсального суперконцентрата, который способен совмещаться практически со всеми термопластами. Отличительной особенностью данной методики является возможность получения качественного окрашивающего продукта без применения дорогостоящего оборудования.
Примерная схема получения суперконцентратов представлена на рис. 2. Вместо полимерной матрицы в данной методике предлагается использовать стеараты, которые имеют относительно невысокую температуру плавления. Попадая в расплав полимера, небольшие количества стеаратов выступают в роли внутренних смазок, способствуя гомогенизации и диспергированию порошка пигмента.
Просто добавь в… расплав
Окрашивание пластика проводится «в массе» — когда материал находится в расплавленном состоянии, к нему добавляют пигмент или краситель. При этом происходит диспергирование (рассредоточение) частиц последнего в массе полимера, что обеспечивает равномерность и насыщенность покраски.Основные преимущества окрашивания в массе:
сокращение технологических операций;
качество окраски сохраняется весь период эксплуатации изделия;
окрашенный слой не отслаивается из-за плохой адгезии или механических повреждений поверхности;
окрашенный в массе материал не выгорает.
Добавлять краситель в расплав пластика можно в виде порошка или в составе другого расплава. Окрашивание полимеров в массе путем добавления порошка красителя неудобно, так как это имеет ряд недостатков: неудовлетворительные оптические свойства окрашиваемого полимера, снижение механических показателей изделия, неоправданно высокий расход дорогостоящего красителя, трудность перехода от одного цвета к другому, вызванная чисткой оборудования. В основном все перечисленные недостатки имеют одно объяснение — сложность полного диспергирования (распределения) красителя в объеме полимера. Частички красителя агрегируются (слипаются), что приводит к возникновению разводов, тусклости и неравномерности окраски.
Выгода концентрирования
Для предотвращения описанных выше проблем, а также улучшения условий труда при окрашивании пластиков используют суперконцентраты красителей.
Суперконцентраты представляют собой дисперсии пигментов в веществах, легко совмещающихся с окрашиваемым полимером. Другими словами, при использовании суперконцентрата в объем полимера вводится уже диспергированный порошок красителя. При переработке частицы красящего вещества будут легко и равномерно распределяться по всему объему будущего изделия, не слипаясь и не оседая в нижней части материального цилиндра. В названии суперконцентратов приставка «супер» означает высокое содержание порошка красителя в красящей массе (до 90%). При этом наряду с суперконцентратами существуют просто концентраты красителей, которые содержат в своем составе до 20% пигмента. Производителям пластмассовых изделий более выгодно иметь дело с суперконцентратами, так как из-за высокого содержания пигмента их расход на производство значительно ниже. Основы
Под термином «суперконцентрат» понимается не только производство концентрированных красителей. К достаточно обширной группе специальных веществ, называемых суперконцентратами, также относятся: светостабилизаторы, антиоксиданты, антиперены, антистатики, антислипы, скользящие добавки, антиблоки, нуклеаты.
Красители — органические соединения, которые способны растворяться и придавать цвет материалу, а пигментами, как правило, называют нерастворимые вещества неорганического происхождения.
Пигменты в матрице
В зависимости от способа получения конечный красящий продукт может быть в виде гранул, порошка, пасты или раствора.
В простейшем виде суперконцентрат красителя представляет собой систему из двух компонентов: пигмента и матрицы (связующего вещества). В качестве матрицы могут быть использованы практически все полиолефины, полиолефиновые воска, полистирол, твердые эпоксидные смолы и т.д. Выбор таких материалов определяет способ получения суперконцентрата — диспергирование в расплаве, для чего используют двухшнековые экструдеры. Классификация суперконцентратов
Светостабилизаторы позволяют длительное время сохранять первоначальный цвет изделия и его механическую прочность, защищая изделие от ультрафиолетовых лучей. В качестве светостабилизаторов могут применяться производные бензонитризола, бензофенола, никелевые и кобальтовые соли замещенных фенолов и др. Светостабилизаторы эффективны даже при очень низких концентрациях (менее 0,1 %).
Антиоксиданты предотвращают термоокисление в процессе переработки полимера и замедляют деструкцию материала во время хранения и эксплуатации изделия. К антиоксидантам относятся смеси соединений фенолов и фосфидов.
Антипирены значительно снижают горючесть полимеров. Специальные антипирены используют для производства негорючих пленок, листов и литьевых изделий. К антипиренам относятся сульфат аммония, а также различные бромиды и хлориды.
Антистатики позволяют избавиться от статического эффекта, присущего всем полимерам. Антистатиками являются алкиламины. Скользящие добавки (слипы) применяются в качестве внутренней смазки в полимере. Такие добавки уменьшают вязкость расплава и существенно повышают производительность экструзии. Придают поверхности пленок и других полимерных изделий большую гладкость, блеск, глянец. Уменьшают коэффициент трения готовых изделий. К скользящим добавкам относятся производные высших жирных кислот.
Антислипы придают поверхности пленок шероховатость. Используются при производстве тары, мешков для упаковки сыпучих продуктов и прочих изделий, где шероховатость необходима. В качестве антислипа может использоваться сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
Антиблоки препятствуют слипанию готовых изделий, что особенно важно при производстве пленок. Пакеты, изготовленные из пленки с добавлением антиблоков, легко раскрываются, а стенки пакета не слипаются. В качестве антиблоков используются кремневая кислота или амидные воски.
Нуклеаты увеличивают коэффициент светопропускания, повышая прозрачность пленок. Также нуклеаты оказывают влияние на надмолекулярную структуру полимера, делая ее более мелкозернистой, благодаря чему существенно сокращается время кристаллизации, и процесс охлаждения изделия осуществляется быстрее. Нуклеаты применяются исключительно для полипропиленовых материалов. В качестве нуклеатов используются бензоаты натрия или флуоресцентные органические вещества, поглощающие ультрафиолетовое излучение.
Вспенивающие агенты разрыхляют структуру полимера. Используются для производства пористых изделий. В качестве вспенивающих агентов применяются трифторхлорметан, бензосульфонилгидразин и другие вещества.
Помимо перечисленных выше материалов, связывающим веществом могут быть пасты некоторых пластификаторов, стеорокс, а также латексы, в которые можно ввести пигмент путем перетира. Такой способ получения суперконцентратов аналогичен получению типографских офсетных красок на краскотерочных машинах.
При получении эмульсии пигмента в растворе полимера используют полистирол, полиуретан, поливинилацетат. В этом случае могут применяться лопастные смесители, миксеры и т.д.
Наиболее востребованы суперконцентраты, полученные методом диспергирования пигмента в расплаве полиолефинов, полиолефиновых восков и полистирола. Объясняется это прежде всего тем, что львиная доля перерабатываемых материалов — именно полиолефины.
Для окрашивания пластиков могут использоваться как неорганические, так и органические пигменты. Среди неорганических пигментов наиболее часто используют диоксид титана, карбонат кальция, сажу, кадмиевые, кобальтовые, железоокисные, хромовые пигменты, ультрамарин, литопон и др. Преимущества использования суперконцентратов
возможность окрашивания полимера в любые цвета;
высокое качество окраски;
окрашивание может производиться на любом стандартном оборудовании без каких- либо дополнительных материальных и временных затрат;
экологичность производства;
простота введения необходимого количества суперконцентрата в расплав полимера;
возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.
Из органических пигментов наиболее важными являются пигменты, имеющие молекулярно-кристаллическую структуру и отличающиеся нерастворимостью в окрашиваемых средах. К таким относятся азопигменты, фталоциановые пигменты, трифенилметановые и полициклические. Обладая более широкой гаммой ярких оттенков и большей красящей способностью, органические пигменты уступают неорганическим по термо-, свето- и атмосферостойкости, а также миграционной стойкости.
Зачастую к окрашенным изделиям из полимерных материалов предъявляют специфические требования. Например, если полимерное изделие находится в непосредственном контакте с пищевыми продуктами, то используемые добавки к полимерным материалам и суперконцентраты должны иметь соответствующее разрешение, то есть их выбор должен быть согласован с «Перечнем материалов», разрешенных Министерством Здравоохранения.
Цвет и Эффект
На данный момент имеется множество суперконцентратов, которые позволяют окрасить полимер практически в любой цвет и оттенок в пределах известной цветовой гаммы. Кроме того, появились суперконцентраты, позволяющие получить при окрашивании различные спецэффекты, от которых внешний облик изделий из полимеров существенно меняется.
К спецэффектам относятся перламутровые, флюоресцентные, опалесцирующие, фосфоресцирующие и радужные окраски полимеров. Добавки с такими эффектами используются в дорожных знаках, рекламе, спецодежде, игрушках и многих других изделиях, где важен визуальный эффект.
В суперконцентратах могут использоваться также флеки и флиттеры, как вкрапления в основную массу полимера волокон, чешуек или точек. С их применением возможно получать окраску «под горные породы» — мрамор, гранит и другие. Такие эффекты достигаются за счет того, что данные вкрапления являются окрашенными частицами полимеров с более высокой температурой плавления, чем окрашиваемый материал.
Производители
Производителей суперконцентратов на данный момент существует достаточно много. В основном это иностранные предприятия, которые предлагают как суперконцентраты, так и красители либо пигменты в чистом виде. Наиболее крупные — транснациональные корпорации Global Colors, Holliday Chemical Holding PLC, Schulman GmbH и такие компании как «Габриель-Хеми» (Австрия), Ampacet (Бельгия), Karl Finke, Sigmund Lindner GmbH (Германия), United Colors Corporation Limited (Таиланд) и др.
Все перечисленные компании имеют представительства и дилерские сети в Украине и России.
Помимо иностранных производителей суперконцентраты собственного производства предлагают ОАО «СТИРОЛ» (г. Горловка), ООО «Партнер» (г. Киев), ООО «Биохимсервис» (г. Полтава), ООО НПП «ПАКС» (г. Дергачи, Харьковская область), ЗАО «Сталкер М» (г. Санкт-Петербург), АО «Синтез» (г. Тамбов), ГП «ВИАМ-ПЛАСТКОЛОР» (г. Москва), ТОО «Спектропласт» (г. Москва), ООО «Евромастер» (г. Нижнекамск, Татарстан).
Сделай сам
Вопрос окраски пластиковой продукции актуален почти для всех перерабатывающих предприятий. Независимость от поставщиков и возможность более точного подбора необходимых свойств красящих веществ может обеспечить только собственное производство суперконцентратов на основе качественных красителей и пигментов.
Рассматривая производство суперконцентратов, имеет смысл остановиться на производстве методом диспергирования пигмента в расплаве полимера, так как суперконцентраты на основе полимеров, в частности полиолефинов, являются самыми востребованными.
Прежде всего, для организации производства суперконцентратов необходимо специальное оборудование. Так как в полимерную матрицу вводится достаточно большое количество пигмента, то используются только двухшнековые экструдеры. В отличие от одношнековых, они позволяют перерабатывать труднозахватываемые червяком порошкообразные, волокнистые, пастообразные материалы и материалы с высоким содержанием летучих веществ. Использование двухчервячных экструдеров позволяет:
компаундировать термопластичные материалы с различными добавками и модификаторами;
гранулировать термопласты;
удалять гелеобразные дефекты;
обеспечивают равномерное диспергирование пигмента;
смешивать различные термопласты;
возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.
Подобные экструдеры являются очень эффективными в процессах смешения и гомогенизации.
Зона загрузки двухчервячных экструдеров имеет больший объем, нежели зона сжатия. Именно это обстоятельство позволяет перерабатывать термопласты как в виде гранул, так и в виде порошка. Поскольку перемешивание происходит во всех направлениях, давление в зоне загрузки быстро повышается, и в экструдере достаточно активно идут процессы массообмена, теплообмена и выделения летучих веществ, которые удаляются в зонах дегазации.
Двухчервячные экструдеры на рынке представлены в основном азиатскими компаниями Shanghai Jwell Machinery Co Lt» (Китай),«Lider Makina San ve Tic Ltd St» (Турция) и европейским Reifenhauser GmbH & Co и APX GmbH (Германия), Cincinnati Extrusion GmbH (Австрия).
Помимо экструзионного оборудования для производства суперконцентратов необходимы дозаторы, вакуумные загрузчики и турбомиксеры. Все это оборудование используется для подачи в смеситель нужного количества подготовленного красителя.
Для дозирования необходимого количества вводимого в расплав полимера красителя можно рекомендовать голландские объемные дозаторы Movacolor и весовые дозаторы FERLIN Plastics Automation. Для подготовки и загрузки красителя и термопласта лучше использовать итальянские загрузчики, миксеры и дробилки фирмы Pulsotrinic.
Важные особенности
Несложно укомплектовать линию по производству суперконцентратов как на проектируемом, так и уже на действующем предприятии, учитывая, правда, определенные нюансы. К таким нюансам относятся производительность проектируемой линии, особенности подготовки сырья и рецептур будущих концентратов красителей.
Суперконцентрат может включать в себя как минимум два компонента: термопласт и пигмент. Число дополнительных компонентов не ограничено. Например, «белый» суперконцентрат состоит из полимерной матрицы — полиэтилен высокого давления, пигмента — диоксид титана с карбонатом кальция, и внутренней смазки — полиэтиленовый воск, способствующий гомогенигазации всей массы. Таким образом, для производства такой смесевой композиции необходимо большее количество дозаторов и дополнительных настроек экструдера.
Двухчервячные экструдеры характеризуются взаимным расположением червяков, характером их сопряжения и направлением вращения, степенью сжатия материала и некоторыми конструктивными особенностями червяков и материальных цилиндров. Перечисленные выше параметры могут сочетаться в различных комбинациях, что приводит к многообразию конструктивных решений.
Следует отметить, что производители оборудования для переработки термопластов предлагают не только отдельные агрегаты и машины, но и специально спроектированные линии для получения конкретного материала или изделия. Так, например, итальянская компания ICMA предлагает готовые линии для производства суперконцентратов.
На линиях ICMA MASTERBATCH можно получать суперконцентраты, содержащие от 50 до 80% пигмента. Такие линии обеспечивают переработку всех полиолефинов, а также полиэтилентерефталата, полистирола и полиамида, как связующих компонентов суперконцентратов. На рис. 1 приводится примерная схема получения суперконцентратов на оборудовании фирмы ICMA.
Сложные оттенки
Применение флеков и флиттеров позволяет придавать пластикам фактуру камня, мрамора или дерева
Стоит отметить, что производство суперконцентратов хоть и кажется достаточно простым, на самом деле имеет множество тонкостей. Примером может послужить приготовление суперконцентрата заданного оттенка.
Практически любой оттенок может быть получен путем смешения трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Каждый из этих цветов занимает одну треть видимой части спектра, а их сложение в одинаковых долях делает вещество или материал белым.
Комбинирование основных первичных цветов для получения новых (вторичных) осуществляется путем их сложения — аддитивное смешение (синтез). Существует также другой метод, который основан на вычитании — субтрактивное смешение. Смешивая вторичные цвета в различных пропорциях, можно получить полный круг цветности, включающий различные цветовые тона.
Поскольку пигменты и красители выпускаются различных цветов и оттенков, для получения конкретного цвета необходимо грамотно руководствоваться правилами субтрактивного вычитания и аддитивного сложения. Якость и насыщенность каждого из получаемых цветов зависит еще от множества других факторов. Таким образом, для того чтобы грамотно приготовить дисперсию суперконцентрата определенного цвета, необходимо привлекать колориста, знающего рецептуры и имеющего определенный опыт.
Кроме цветовых характеристик производства жесткие требования предъявляются и к исходным компонентам. Прежде всего, это касается красителей и пигментов. Они должны быть чистыми, тонкодисперсными, светостойкими, строго соответствовать колориметрическим показателям цветности и не мигрировать из объема полимера к поверхности.
При переработке в материальном цилиндре экструдера или литьевой машины красители должны выдерживать температуры, при которых плавится полимер, и не терять при этом своих оптических свойств. Именно по этому производители суперконцентратов отдают предпочтение красителям и пигментам таких авторитетных европейских компаний, как ГАК «Титан», MIKRO MINERAL, POLYALCO, NOVEON, OTSUKA CHEMICALS Ltd, «LORAMA CHEMICALS» EMSA TECNOLOGIA QUIMICA S.A., CEPSA, PDL, NUBIOLA, EASTERN CHEMICALS, IQAP GROUP, CCP, CHEM PARTNERS, JAYSYNTH и других.
Технологии по-украински
Инновационная технология производства суперконцентратов методом приготовления дисперсии в растворе полимера или полиолефинового воска разработана в Украинском Государственном Химико-Технологическом Университете. Технология основана на методике приготовления универсального суперконцентрата, который способен совмещаться практически со всеми термопластами. Отличительной особенностью данной методики является возможность получения качественного окрашивающего продукта без применения дорогостоящего оборудования.
Примерная схема получения суперконцентратов представлена на рис. 2. Вместо полимерной матрицы в данной методике предлагается использовать стеараты, которые имеют относительно невысокую температуру плавления. Попадая в расплав полимера, небольшие количества стеаратов выступают в роли внутренних смазок, способствуя гомогенизации и диспергированию порошка пигмента.
ПРЕССФОРМЫ: классификация
Объемы производства технических и художественных изделий из пластмассы постоянно растут. Это объясняется, прежде всего, тем обстоятельством, что за последние годы созданы сплавы, обладающие уникальными свойствами, что значительно расширило область их рационального использования.
Из всех существующих на сегодняшний день методов переработки различных полимеров и производства пластмассовых изделий наиболее распространенным является литье пластмасс под давлением. При этом данный метод характеризуется как наиболее сложный, с точки зрения используемого оборудования, а именно – пресс-форм.
Пресс-форма - это устройство для получения объёмных изделий из пластмасс, резины и других материалов под действием на них давления, создаваемого на литейных машинах или прессах.
Пресс-формы подразделяют на пресс-формы прямого прессования и пресс-формы литьевого прессования.
В пресс-форме прямого прессования загрузочная камера является продолжением полости, оформляющей нижнюю часть изделия. Деталь пресс-формы, в которой выполнены загрузочная камера и нижняя оформляющая полость, называется матрицей. Материал загружают в матрицу, где он, нагреваясь, приобретает пластичность, а затем уплотняется под действием пуансона. Пуансон — это деталь пресс-формы, передающая давление на пресс-материал и оформляющая верхнюю и внутреннюю поверхности изделия. Пресс-форма прямого прессования полностью смыкается, когда окончательно оформлено изделие.
В пресс-форме литьевого прессования оформляющая полость выполняется отдельно от загрузочной камеры и перед заполнением ее материалом она полностью сомкнута. Пресс-материал поступает из загрузочной камеры в оформляющую полость через литниковые отверстия (каналы). Пресс-формы литьевого прессования выполняются с верхней или нижней загрузочной камерой.
По связи с прессом пресс-формы разделяют на:
• съемные;
• полустационарные;
• стационарные.
Съемные пресс-формы необходимо снимать с пресса для извлечения готового изделия после каждой запрессовки. Они не имеют собственного обогрева.
Полустационарные пресс-формы - это пресс-формы, у которых съемной является только часть, непосредственно оформляющая изделие.
Стационарные пресс-формы жестко соединены с плитами пресса или литьевой машины, готовое изделие из них удаляется без снятия пресс-формы с пресса. Стационарные пресс-формы оснащены устройством для нагрева или охлаждения в зависимости от типа перерабатываемого материала.
По количеству одновременно получаемых изделий, или по количеству оформляющих гнезд, пресс-формы делятся на одногнездные и многогнездные.
По расположению плоскости разъема оформляющих деталей пресс-формы разделяют на:
• пресс-формы с горизонтальным разъемом, в которых оформляющие детали раскрываются по плоскости, в направлении хода плунжера;
• пресс-формы с матрицами, имеющими вертикальный разъем, в которых матрица пресс-формы разнимается по плоскости перпендикулярно направлению хода плунжера.
Плоскостью разъема пресс-формы называют поверхность, по которой происходит разъем частей пресс-формы, оформляющих изделие. Пресс-формы могут быть с одной, двумя и тремя плоскостями разъема.
По конструктивному выполнению оформляющего гнезда пресс-формы прямого прессования, разделяются на следующие типы:
- открытые пресс-формы, в которых оформляющее гнездо пресс-формы, является одновременно и загрузочной полостью; применяется для изготовления изделий больших размеров;
- закрытые, поршневые пресс-формы, в которых оформляющее гнездо, является непосредственным продолжением загрузочной полости; применяются для прессования волокнистых материалов и материалов с малой текучестью.
Из всех существующих на сегодняшний день методов переработки различных полимеров и производства пластмассовых изделий наиболее распространенным является литье пластмасс под давлением. При этом данный метод характеризуется как наиболее сложный, с точки зрения используемого оборудования, а именно – пресс-форм.
Пресс-форма - это устройство для получения объёмных изделий из пластмасс, резины и других материалов под действием на них давления, создаваемого на литейных машинах или прессах.
Пресс-формы подразделяют на пресс-формы прямого прессования и пресс-формы литьевого прессования.
В пресс-форме прямого прессования загрузочная камера является продолжением полости, оформляющей нижнюю часть изделия. Деталь пресс-формы, в которой выполнены загрузочная камера и нижняя оформляющая полость, называется матрицей. Материал загружают в матрицу, где он, нагреваясь, приобретает пластичность, а затем уплотняется под действием пуансона. Пуансон — это деталь пресс-формы, передающая давление на пресс-материал и оформляющая верхнюю и внутреннюю поверхности изделия. Пресс-форма прямого прессования полностью смыкается, когда окончательно оформлено изделие.
В пресс-форме литьевого прессования оформляющая полость выполняется отдельно от загрузочной камеры и перед заполнением ее материалом она полностью сомкнута. Пресс-материал поступает из загрузочной камеры в оформляющую полость через литниковые отверстия (каналы). Пресс-формы литьевого прессования выполняются с верхней или нижней загрузочной камерой.
По связи с прессом пресс-формы разделяют на:
• съемные;
• полустационарные;
• стационарные.
Съемные пресс-формы необходимо снимать с пресса для извлечения готового изделия после каждой запрессовки. Они не имеют собственного обогрева.
Полустационарные пресс-формы - это пресс-формы, у которых съемной является только часть, непосредственно оформляющая изделие.
Стационарные пресс-формы жестко соединены с плитами пресса или литьевой машины, готовое изделие из них удаляется без снятия пресс-формы с пресса. Стационарные пресс-формы оснащены устройством для нагрева или охлаждения в зависимости от типа перерабатываемого материала.
По количеству одновременно получаемых изделий, или по количеству оформляющих гнезд, пресс-формы делятся на одногнездные и многогнездные.
По расположению плоскости разъема оформляющих деталей пресс-формы разделяют на:
• пресс-формы с горизонтальным разъемом, в которых оформляющие детали раскрываются по плоскости, в направлении хода плунжера;
• пресс-формы с матрицами, имеющими вертикальный разъем, в которых матрица пресс-формы разнимается по плоскости перпендикулярно направлению хода плунжера.
Плоскостью разъема пресс-формы называют поверхность, по которой происходит разъем частей пресс-формы, оформляющих изделие. Пресс-формы могут быть с одной, двумя и тремя плоскостями разъема.
По конструктивному выполнению оформляющего гнезда пресс-формы прямого прессования, разделяются на следующие типы:
- открытые пресс-формы, в которых оформляющее гнездо пресс-формы, является одновременно и загрузочной полостью; применяется для изготовления изделий больших размеров;
- закрытые, поршневые пресс-формы, в которых оформляющее гнездо, является непосредственным продолжением загрузочной полости; применяются для прессования волокнистых материалов и материалов с малой текучестью.
Термопласты
Физические состояния термопластов
В зависимости от принимаемых фазовых состояний термопластичные материалы делятся на аморфные и кристаллические (точнее кристаллизующиеся). В кристаллизующихся литьевых термопластах всегда сохраняется какая-то доля незакристаллизованного (аморфного) материала, поэтому эти материалы иногда называют частично-кристаллическими. Некоторые материалы (PC), в принципе способные к кристаллизации, не кристаллизуются при литье под давлением, оставаясь аморфными. Есть материалы (PET), которые могут быть аморфными или кристаллизоваться в зависимости от условий литья. Другие (PPS) - очень сильно меняют степень кристалличности и свойства при изменении технологического режима. Способность к кристаллизации - очень важное свойство материалов, определяющее их поведение при переработке, и которое обязательно должно учитываться при конструировании изделий и пресс-форм и выборе технологического режима литья. Кристаллизующиеся материалы имеют высокий уровень усадки и анизотропии усадки (разница продольной и поперечной усадки). Пигменты и другие добавки, действуя как нуклеаторы (зародышеобразователи кристаллизации), могут значительно изменять структуру и свойства кристаллизующихся материалов.
В зависимости от температуры аморфные термопласты имеют 3 физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.
Для стеклообразного состояния характерны небольшие упругие деформации. Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное происходит в некотором диапазоне температур, центр которого называют температурой стеклования Tc (glass transition temperature, Tg). В зависимости от метода определения температура стеклования может значительно изменяться. При повышении температуры стекловании повышается температура эксплуатации аморфного материала.
Полимер в высокоэластическом состоянии способен к большим обратимым деформациям, достигающим сотен и более %. При повышении температуры литьевой термопластичный материал переходит из высокоэластического состояния в вязкотекучее. Температура такого перехода называется температурой текучести Тт. Выше температуры текучести в полимере проявляются необратимые деформация вязкого течения. При нагревании аморфного материала обычно визуально наблюдается нефазовый переход, напоминающий процесс плавления для кристаллизующихся термопластов. Температуру такого перехода условно называют температурой плавления (melting temperature, Tm ) аморфного материала.
В кристаллизующихся термопластах аморфная фаза может приобретать описанные выше физические состояния. При нагревании кристаллическая фаза плавится. Температура этого фазового перехода называется температурой плавления Тпл (melting temperature, Tm). Свойства кристаллизующихся полимеров зависят от содержания кристаллической фазы и от того, в каком физическом состоянии (стеклообразном или высокоэластическом) находится при температуре эксплуатации аморфная фаза.
Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам
Литьевые термопластичные материалы делят на несколько групп в зависимости от уровня эксплуатационных свойств. К таким свойствам прежде всего относится температура долговременной эксплуатации.
Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации):
- Материалы общего назначения или общетехнического назначения (general purpose plastics);
- Конструкционные пластмассы или пластмассы инженерно-технического назначения (engineering plastics);
- Суперконструкционные (super-engineering plastics) или высокотермостойкие полимеры (high temperature plastics).
Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения (general purpose TPE) и инженерно-технического назначения (engineering TPE).
Классификация термопластов по химической структуре
По химическому строению многочисленные литьевые термопластичные материалы обычно подразделяют на несколько групп (классов). Современная промышленность выпускает большое количество типов полиолефинов (PO), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (PE) и полипропиленов (PP). Многочисленные типы материалов представлены в группах стирольных пластиков (PS), полиамидов (PA), сложных полиэфиров (polyester).
Традиционно выделяют группы полимеров на основе целлюлозы (cellulosic plastics), фторполимеров или фторопластов (fluoro plastics). Изготовители акриловых полимеров или акрилатов (acrylic) часто указывают только принадлежность материала к данной группе и не приводят тип материала.
См. также Функциональные группы групп полимеров
Классификация термопластов по объему производства
Нередко в литературе выделяют группу крупнотоннажных материалов (volume plastics), к которым относят полиэтилен (PE) и полипропилен (PP). основные стирольные пластики (PS) и особенно АБС (ABS), акрилаты (acrylic), ПВХ (PVC) и бутылочный ПЭТ (PET).
Гомополимеры. Сополимеры. Стереоизомеры
Полимеры, построенные из одинаковых мономеров называют гомополимерами (homopolymer), из разных - сополимерами (copolymer).
Для некоторых типов материалов (полипропилен, полистирол и др.) помимо химической формулы большое значение имеет стереоизомерия - тип пространственной конфигурации боковых групп атомов относительно полимерной цепи. Наиболее важные типы стереоизомеров:
- изотактический (isotactic) - боковые группы расположены "по одну сторону" полимерной цепи;
- синдиотактический (syndiotactic) - боковые группы последовательно чередуются "по одну и другую сторону" полимерной цепи;
- атактическиий (atactic) - беспорядочное расположение боковых групп "по одну и другую сторону" полимерной цепи.
Развитие технологи синтеза полимеров с использованием металлоценовых катализаторов, позволило наладить в последние годы промышленный выпуск различных стереоизомеров.
В качестве примера влияния стереоизомерии на эксплуатационные свойства материала можно привести синдиотактический полистирол (SPS), являющийся кристаллизующимся материалом в отличие от обычного аморфного атактического полистирола.
По структуре сополимеры делят на несколько типов:
- блок-сополимер (block-copolymer) - регулярное чередование последовательностей (блоков) звеньев в основной цепи;
- статистический сополимер (random copolymer) - нерегулярное чередование последовательностей звеньев;
- привитой сополимер (graft copolymer) - имеет основную цепь в виде гомополимера или сополимера, к которой присоединены боковые цепи;
- чередующийся или альтернатный сополимер (alternating copolymer) - регулярное чередование звеньев в основной цепи.
В последнее время большое развитие получили интерполимеры - сополимеры, образующие гомогенную структуру (компоненты не выделяются в отдельные фазы).
Помимо двойных сополимеров, построенных из двух типов мономерных звеньев, выпускаются тройные сополимеры (terpolymer), состоящие из трех типов звеньев, а также сополимеры с четырьмя и большим количеством типов звеньев. Тройными сополимерами являются АБС-пластики (ABS), ACA-сополимер (ASA) и др.
Классификация термопластов по типу наполнителя
Наполнители могут значительно изменять эксплуатационные и технологические свойства термопластов.
Термопласты, содержащие стекловолокно и др. виды стеклянных наполнителей, традиционно называют стеклопластиками (glass filled). В последние годы большое распространение получили материалы, наполненные длинным стекловолокном, требующие особых условий переработки.
Углепластиками (carbon filled) называют материалы, содержащие углеродное волокно.
Иногда выделяют группу "специальных" термопластов. К ним относят материалы, содержащие антипирены (материалы с повышенной стойкостью к горению), электропроводящие добавки (антистатические, электропроводящие, ЭМИ-экранирующие материалы), антифрикционные добавки (материалы с пониженным коэффициентом трения), добавки, придающие износостойкость и д
В зависимости от принимаемых фазовых состояний термопластичные материалы делятся на аморфные и кристаллические (точнее кристаллизующиеся). В кристаллизующихся литьевых термопластах всегда сохраняется какая-то доля незакристаллизованного (аморфного) материала, поэтому эти материалы иногда называют частично-кристаллическими. Некоторые материалы (PC), в принципе способные к кристаллизации, не кристаллизуются при литье под давлением, оставаясь аморфными. Есть материалы (PET), которые могут быть аморфными или кристаллизоваться в зависимости от условий литья. Другие (PPS) - очень сильно меняют степень кристалличности и свойства при изменении технологического режима. Способность к кристаллизации - очень важное свойство материалов, определяющее их поведение при переработке, и которое обязательно должно учитываться при конструировании изделий и пресс-форм и выборе технологического режима литья. Кристаллизующиеся материалы имеют высокий уровень усадки и анизотропии усадки (разница продольной и поперечной усадки). Пигменты и другие добавки, действуя как нуклеаторы (зародышеобразователи кристаллизации), могут значительно изменять структуру и свойства кристаллизующихся материалов.
В зависимости от температуры аморфные термопласты имеют 3 физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.
Для стеклообразного состояния характерны небольшие упругие деформации. Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное происходит в некотором диапазоне температур, центр которого называют температурой стеклования Tc (glass transition temperature, Tg). В зависимости от метода определения температура стеклования может значительно изменяться. При повышении температуры стекловании повышается температура эксплуатации аморфного материала.
Полимер в высокоэластическом состоянии способен к большим обратимым деформациям, достигающим сотен и более %. При повышении температуры литьевой термопластичный материал переходит из высокоэластического состояния в вязкотекучее. Температура такого перехода называется температурой текучести Тт. Выше температуры текучести в полимере проявляются необратимые деформация вязкого течения. При нагревании аморфного материала обычно визуально наблюдается нефазовый переход, напоминающий процесс плавления для кристаллизующихся термопластов. Температуру такого перехода условно называют температурой плавления (melting temperature, Tm ) аморфного материала.
В кристаллизующихся термопластах аморфная фаза может приобретать описанные выше физические состояния. При нагревании кристаллическая фаза плавится. Температура этого фазового перехода называется температурой плавления Тпл (melting temperature, Tm). Свойства кристаллизующихся полимеров зависят от содержания кристаллической фазы и от того, в каком физическом состоянии (стеклообразном или высокоэластическом) находится при температуре эксплуатации аморфная фаза.
Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам
Литьевые термопластичные материалы делят на несколько групп в зависимости от уровня эксплуатационных свойств. К таким свойствам прежде всего относится температура долговременной эксплуатации.
Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации):
- Материалы общего назначения или общетехнического назначения (general purpose plastics);
- Конструкционные пластмассы или пластмассы инженерно-технического назначения (engineering plastics);
- Суперконструкционные (super-engineering plastics) или высокотермостойкие полимеры (high temperature plastics).
Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения (general purpose TPE) и инженерно-технического назначения (engineering TPE).
Классификация термопластов по химической структуре
По химическому строению многочисленные литьевые термопластичные материалы обычно подразделяют на несколько групп (классов). Современная промышленность выпускает большое количество типов полиолефинов (PO), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (PE) и полипропиленов (PP). Многочисленные типы материалов представлены в группах стирольных пластиков (PS), полиамидов (PA), сложных полиэфиров (polyester).
Традиционно выделяют группы полимеров на основе целлюлозы (cellulosic plastics), фторполимеров или фторопластов (fluoro plastics). Изготовители акриловых полимеров или акрилатов (acrylic) часто указывают только принадлежность материала к данной группе и не приводят тип материала.
См. также Функциональные группы групп полимеров
Классификация термопластов по объему производства
Нередко в литературе выделяют группу крупнотоннажных материалов (volume plastics), к которым относят полиэтилен (PE) и полипропилен (PP). основные стирольные пластики (PS) и особенно АБС (ABS), акрилаты (acrylic), ПВХ (PVC) и бутылочный ПЭТ (PET).
Гомополимеры. Сополимеры. Стереоизомеры
Полимеры, построенные из одинаковых мономеров называют гомополимерами (homopolymer), из разных - сополимерами (copolymer).
Для некоторых типов материалов (полипропилен, полистирол и др.) помимо химической формулы большое значение имеет стереоизомерия - тип пространственной конфигурации боковых групп атомов относительно полимерной цепи. Наиболее важные типы стереоизомеров:
- изотактический (isotactic) - боковые группы расположены "по одну сторону" полимерной цепи;
- синдиотактический (syndiotactic) - боковые группы последовательно чередуются "по одну и другую сторону" полимерной цепи;
- атактическиий (atactic) - беспорядочное расположение боковых групп "по одну и другую сторону" полимерной цепи.
Развитие технологи синтеза полимеров с использованием металлоценовых катализаторов, позволило наладить в последние годы промышленный выпуск различных стереоизомеров.
В качестве примера влияния стереоизомерии на эксплуатационные свойства материала можно привести синдиотактический полистирол (SPS), являющийся кристаллизующимся материалом в отличие от обычного аморфного атактического полистирола.
По структуре сополимеры делят на несколько типов:
- блок-сополимер (block-copolymer) - регулярное чередование последовательностей (блоков) звеньев в основной цепи;
- статистический сополимер (random copolymer) - нерегулярное чередование последовательностей звеньев;
- привитой сополимер (graft copolymer) - имеет основную цепь в виде гомополимера или сополимера, к которой присоединены боковые цепи;
- чередующийся или альтернатный сополимер (alternating copolymer) - регулярное чередование звеньев в основной цепи.
В последнее время большое развитие получили интерполимеры - сополимеры, образующие гомогенную структуру (компоненты не выделяются в отдельные фазы).
Помимо двойных сополимеров, построенных из двух типов мономерных звеньев, выпускаются тройные сополимеры (terpolymer), состоящие из трех типов звеньев, а также сополимеры с четырьмя и большим количеством типов звеньев. Тройными сополимерами являются АБС-пластики (ABS), ACA-сополимер (ASA) и др.
Классификация термопластов по типу наполнителя
Наполнители могут значительно изменять эксплуатационные и технологические свойства термопластов.
Термопласты, содержащие стекловолокно и др. виды стеклянных наполнителей, традиционно называют стеклопластиками (glass filled). В последние годы большое распространение получили материалы, наполненные длинным стекловолокном, требующие особых условий переработки.
Углепластиками (carbon filled) называют материалы, содержащие углеродное волокно.
Иногда выделяют группу "специальных" термопластов. К ним относят материалы, содержащие антипирены (материалы с повышенной стойкостью к горению), электропроводящие добавки (антистатические, электропроводящие, ЭМИ-экранирующие материалы), антифрикционные добавки (материалы с пониженным коэффициентом трения), добавки, придающие износостойкость и д
Полимерные технологии
Экструзия это непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В промышленности переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие, как трубы, листы, пленки, оболочки кабелей и т.д. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные и двухчервячные экструдеры. Главным требованием, предъявляемым к червячным машинам, является гомогенизация расплава (равномерное перемешивание и распределение различных добавок, равномерность температурного поля)при высокой производительности. По характеру протекающих в канале червяка экструдера процессов можно условно разделить червяк на несколько зон:
зона питания или транспортировки твердого материала
плавления или пластикации
дозирования или транспортирования расплава.
Флексография (от лат. flexus - изогнутый и ...графия), печатание с помощью эластичных печатных форм текучими быстросохнущими красками; вид высокой печати. Выполняется на специальных ротационных печатных машинах (т. н. флексографских), имеющих до 8 печатных секций. Печатные формы изготовляют прессованием из резины или каучукообразной пластмассы. Используются также литые и фотополимерные печатные формы. Частота вращения печатных цилиндров до 23 тыс. об/ч. Печатание выполняется на бумаге, целлофане, фольге и полимерных плёнках. Т. к. для изготовления печатных красок используют анилиновые красители, флексография называется также анилиновой печатью. Флексография широко применяется при изготовлении упаковочной продукции.
Агломерация. Принцип агломерирования основан на совмещении в одном изделии измельчения и пластикации полимерной пленки под действием теплоты трения, подачи дозированного количества воды для охлаждения, агломерации и измельчения в гранулы размером 3-10 мм.
Установка для агломерирования полимерных отходов называется агломератор
Агломерирование на 10-20 процентов выгоднее гранулирования. К тому же при агломерировании материал в гораздо меньшей степени подвержен деструкции.
Каширование - процесс склеивания запечатанного листа (лайнера) с подложкой (основой).
Каширование представляет собой нанесение отпечатанной офсетным способом бумаги на любую жесткую основу (чаще всего это гофро – и микрогофрокартон, возможно также пластик и др.). Причем полиграфический оттиск на бумаге может иметь разнообразную отделку: лакирование, тиснение и т.д. Теперь с помощью технологии каширования на упаковке можно отразить любое изображение во всем калейдоскопе красок, включая возможность нанесения специальных цветов, таких как краски Pantone, золото, серебро, бронза. Упаковка, произведенная по такой технологии, совмещает в себе характеристики потребительской упаковки (яркий, красочный внешний вид) и гофротары (прочность, надежность). Технология каширования позволяет улучшить защитные функции упаковки, делая её значительно более прочной и жесткой по сравнению с потребительской, одновременно превращая упаковку в настоящее произведение искусства.
Технологии получения многослойных и комбинированных пленочных материалов
Экструзионное каширование
Это процесс совмещения нескольких материалов посредством расплава полимера. Процесс каширования осуществляют на линиях экструзионного ламинирования, оснащенных дополнительным размотчиком второго материала, который подается в узел ламинирования на охлаждаемый барабан. Расплав полимера из фильеры экструдера в этом случае наносится между двумя совмещенными материалами.
Посредством экструзионного каширования получают комбинированные пленочные материалы, такие как БОПП/ПЭ/Al/ПЭ, Al/ПЭ/бумага, Al/ПЭ/картон, ПЭ/Al/ПЭ/картон, ПЭТФ/ПЭ/Al/ПЭ и др. Все эти материалы могут быть получены с нанесением межслойной цветной печати.
Необходимо отметить, что основной задачей при осуществлении технологических процессов экструзионного ламинирования и каширования является получение хорошей адгезии покрытия к субстрату, что особенно важно при нанесении покрытий из ПЭНП
ПЭНП - неполярный полимер и не образует связей с полярными поверхностями;
термоокисление расплава ПЭНП на выходе их фильеры приводит к образованию полярных групп на поверхности покрытия, что улучшает его адгезию к субстрату; предварительная обработка поверхности субстрата коронным разрядом, УФ-излучением, озоном и т.п., увеличивает межслойную адгезионную прочность, что позволяет снизить температуру экструзии и уменьшить расстояние от фильеры до валков ламинатора. Дополнительная обработка субстрата, позволяющая образовать химические связи, повышает межслойную адгезионную прочность. Так, например, нанесение на ПЭТФ-пленку 3 - 5% спиртового или водно-спиртового раствора полиэтиленимина или двухкомпонентной полиуретановой системы увеличивает адгезию между ПЭНП и ПЭТФ в 6 - 10 раз.При использовании ПП в качестве материала для покрытий, наносимых экструзией, отмечены повышенная по сравнению с ПЭНП термостойкость, стойкость к истиранию, жирам и маслам, снижению газо- и паропроницаемости, лучшая устойчивость к образованию микротрещин под нагрузкой. Скорость нанесения покрытия может достигать 300 - 400 м/мин. при толщине 10 - 30 г/м2.
Многослойные и комбинированные пленочные материалы, полученные способом экструзионного ламинирования (каширования) нашли широкое применение при упаковке различных пищевых продуктов (масла и маргарина, мороженого, макаронных и кондитерских изделий, пищевых концентратов и многого другого).Использование нового оборудования, совершенствование технологического процесса, применение новых полимерных материалов (сополимеров, иономеров и др.) открывают новые перспективы в использовании МПМ и КПМ, полученных способом экструзионного ламинирования (каширования) для упаковки разнообразных пищевых продуктов.
Ламинация. Для получения многослойных полимерных пленок, в том числе с использованием алюминиевой фольги и бумаги, применяются следующие технологии ламинации:
Ламинация «мокрая»
Ламинация «сухая» с растворителем
Ламинация без растворителя
Ламинация с использованием расплавленных масс
соэкструзии, являющейся отдельной технологией получения многослойных пленок.
Целесообразно различать понятия «многослойная пленка, получаемая путем ламинирования», которую в данной статье мы будем именовать «ламинат», и « многослойная пленка, получаемая методом соэкструзии». Традиционно термин «ламинат» относится к материалу, получаемому путем соединения — чаще всего склеивания — готовых пленок. Число пленок, входящих в состав ламината, равняется количеству его слоев. Например, материал РА/РЕ, полученный склеиванием пленок, является двухслойным ламинатом. Однако соэкструзионная пленка с той же самой толщиной слоев РА и РЕ, в которой толщина связывающего слоя необязательно должна быть больше толщины клеевого слоя в упомянутом выше ламинате, считается уже трехслойным материалом. Поэтому, говоря о соэкструзионной технологии, лучше использовать термин «соэкструзионная пленка».
Гранулирование.
Полимеры гранулируют, либо уплотняя порошкообразные материалы с малой насыпной массой в плотные правильные образования (гранулы, таблетки и др.), либо измельчая крупные блоки или всевозможные отходы, бракованные изделия из полимеров и др. Наиболее распространены методы Г. термопластичных полимеров из расплава. В этом случае Г. используют также для совмещения полимера с пластификаторами, удаления влаги и летучих веществ, а также для введения в полимерный материал различных ингредиентов (например, антиокислителей, красителей). Расплав термопластичного полимера продавливают через головку экструдера в виде жгута или ленты, которые разрезают на гранулы сразу же после выхода из головки или после охлаждения на воздухе или в воде. Термореактивные полимеры гранулируют измельчением холодного материала в размольном агрегате (например, в рифлёных вальцах), а также путём механического уплотнения порошкообразных материалов при повышенной или нормальной температуре.
зона питания или транспортировки твердого материала
плавления или пластикации
дозирования или транспортирования расплава.
Флексография (от лат. flexus - изогнутый и ...графия), печатание с помощью эластичных печатных форм текучими быстросохнущими красками; вид высокой печати. Выполняется на специальных ротационных печатных машинах (т. н. флексографских), имеющих до 8 печатных секций. Печатные формы изготовляют прессованием из резины или каучукообразной пластмассы. Используются также литые и фотополимерные печатные формы. Частота вращения печатных цилиндров до 23 тыс. об/ч. Печатание выполняется на бумаге, целлофане, фольге и полимерных плёнках. Т. к. для изготовления печатных красок используют анилиновые красители, флексография называется также анилиновой печатью. Флексография широко применяется при изготовлении упаковочной продукции.
Агломерация. Принцип агломерирования основан на совмещении в одном изделии измельчения и пластикации полимерной пленки под действием теплоты трения, подачи дозированного количества воды для охлаждения, агломерации и измельчения в гранулы размером 3-10 мм.
Установка для агломерирования полимерных отходов называется агломератор
Агломерирование на 10-20 процентов выгоднее гранулирования. К тому же при агломерировании материал в гораздо меньшей степени подвержен деструкции.
Каширование - процесс склеивания запечатанного листа (лайнера) с подложкой (основой).
Каширование представляет собой нанесение отпечатанной офсетным способом бумаги на любую жесткую основу (чаще всего это гофро – и микрогофрокартон, возможно также пластик и др.). Причем полиграфический оттиск на бумаге может иметь разнообразную отделку: лакирование, тиснение и т.д. Теперь с помощью технологии каширования на упаковке можно отразить любое изображение во всем калейдоскопе красок, включая возможность нанесения специальных цветов, таких как краски Pantone, золото, серебро, бронза. Упаковка, произведенная по такой технологии, совмещает в себе характеристики потребительской упаковки (яркий, красочный внешний вид) и гофротары (прочность, надежность). Технология каширования позволяет улучшить защитные функции упаковки, делая её значительно более прочной и жесткой по сравнению с потребительской, одновременно превращая упаковку в настоящее произведение искусства.
Технологии получения многослойных и комбинированных пленочных материалов
Экструзионное каширование
Это процесс совмещения нескольких материалов посредством расплава полимера. Процесс каширования осуществляют на линиях экструзионного ламинирования, оснащенных дополнительным размотчиком второго материала, который подается в узел ламинирования на охлаждаемый барабан. Расплав полимера из фильеры экструдера в этом случае наносится между двумя совмещенными материалами.
Посредством экструзионного каширования получают комбинированные пленочные материалы, такие как БОПП/ПЭ/Al/ПЭ, Al/ПЭ/бумага, Al/ПЭ/картон, ПЭ/Al/ПЭ/картон, ПЭТФ/ПЭ/Al/ПЭ и др. Все эти материалы могут быть получены с нанесением межслойной цветной печати.
Необходимо отметить, что основной задачей при осуществлении технологических процессов экструзионного ламинирования и каширования является получение хорошей адгезии покрытия к субстрату, что особенно важно при нанесении покрытий из ПЭНП
ПЭНП - неполярный полимер и не образует связей с полярными поверхностями;
термоокисление расплава ПЭНП на выходе их фильеры приводит к образованию полярных групп на поверхности покрытия, что улучшает его адгезию к субстрату; предварительная обработка поверхности субстрата коронным разрядом, УФ-излучением, озоном и т.п., увеличивает межслойную адгезионную прочность, что позволяет снизить температуру экструзии и уменьшить расстояние от фильеры до валков ламинатора. Дополнительная обработка субстрата, позволяющая образовать химические связи, повышает межслойную адгезионную прочность. Так, например, нанесение на ПЭТФ-пленку 3 - 5% спиртового или водно-спиртового раствора полиэтиленимина или двухкомпонентной полиуретановой системы увеличивает адгезию между ПЭНП и ПЭТФ в 6 - 10 раз.При использовании ПП в качестве материала для покрытий, наносимых экструзией, отмечены повышенная по сравнению с ПЭНП термостойкость, стойкость к истиранию, жирам и маслам, снижению газо- и паропроницаемости, лучшая устойчивость к образованию микротрещин под нагрузкой. Скорость нанесения покрытия может достигать 300 - 400 м/мин. при толщине 10 - 30 г/м2.
Многослойные и комбинированные пленочные материалы, полученные способом экструзионного ламинирования (каширования) нашли широкое применение при упаковке различных пищевых продуктов (масла и маргарина, мороженого, макаронных и кондитерских изделий, пищевых концентратов и многого другого).Использование нового оборудования, совершенствование технологического процесса, применение новых полимерных материалов (сополимеров, иономеров и др.) открывают новые перспективы в использовании МПМ и КПМ, полученных способом экструзионного ламинирования (каширования) для упаковки разнообразных пищевых продуктов.
Ламинация. Для получения многослойных полимерных пленок, в том числе с использованием алюминиевой фольги и бумаги, применяются следующие технологии ламинации:
Ламинация «мокрая»
Ламинация «сухая» с растворителем
Ламинация без растворителя
Ламинация с использованием расплавленных масс
соэкструзии, являющейся отдельной технологией получения многослойных пленок.
Целесообразно различать понятия «многослойная пленка, получаемая путем ламинирования», которую в данной статье мы будем именовать «ламинат», и « многослойная пленка, получаемая методом соэкструзии». Традиционно термин «ламинат» относится к материалу, получаемому путем соединения — чаще всего склеивания — готовых пленок. Число пленок, входящих в состав ламината, равняется количеству его слоев. Например, материал РА/РЕ, полученный склеиванием пленок, является двухслойным ламинатом. Однако соэкструзионная пленка с той же самой толщиной слоев РА и РЕ, в которой толщина связывающего слоя необязательно должна быть больше толщины клеевого слоя в упомянутом выше ламинате, считается уже трехслойным материалом. Поэтому, говоря о соэкструзионной технологии, лучше использовать термин «соэкструзионная пленка».
Гранулирование.
Полимеры гранулируют, либо уплотняя порошкообразные материалы с малой насыпной массой в плотные правильные образования (гранулы, таблетки и др.), либо измельчая крупные блоки или всевозможные отходы, бракованные изделия из полимеров и др. Наиболее распространены методы Г. термопластичных полимеров из расплава. В этом случае Г. используют также для совмещения полимера с пластификаторами, удаления влаги и летучих веществ, а также для введения в полимерный материал различных ингредиентов (например, антиокислителей, красителей). Расплав термопластичного полимера продавливают через головку экструдера в виде жгута или ленты, которые разрезают на гранулы сразу же после выхода из головки или после охлаждения на воздухе или в воде. Термореактивные полимеры гранулируют измельчением холодного материала в размольном агрегате (например, в рифлёных вальцах), а также путём механического уплотнения порошкообразных материалов при повышенной или нормальной температуре.
Полимеры и возможность их модификации в поцессах экструзии
Как полимерные материалы для экструзии, так и добавки к ним характеризуются разнообразием по технологическим и техническим свойствам. Выбор материала определяется требованиями, предъявляемыми к изделиям: прочностью, упругостью, прозрачностью, твердостью, внешним видом и др.
В зависимости от области применения к экструзионным изделиям могут предъявляться и специфические требования. Например, для пленочных - термоусаживаемость, скручиваемость (твист-эффект), - возможность печати, устойчивость к действию факторов светопогоды и др. Для труб - устойчивость к воздействию агрессивных сред, долговечность. Для изделий, используемых в пищевой промышленности и медицине - биологическая индифферентность и др. Удовлетворить указанные требования позволяет сочетание различных полимеров с добавками. Основным сырьем для производства экструзионных изделий являются крупнотоннажные пластики (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирольные пластики, полиэтилентерефталат). На их долю приходится 87 % мирового производства пластмасс.
В связи с расширением областей применения полимеров совершенствуется и технология их производства - создаются установки большой мощности; совершенствуется металлоценовая технология производства полиэтилена, причем производство полиэтилена на металлоценовых катализаторах получает развитие и к 2015 г. достигнет 25 % всего потребления полиэтилена; ведется поиск новых катализаторов; разрабатываются различные компаунды для производства труб (сшитые силаном). Получает развитие производство новых марок полипропилена, менее хрупких по сравнению с известными в настоящее время. Европейской комиссией разработана новая экологически безопасная программа развития производства и применения ПВХ.
Фирма Dow Chemicl (США) разработала суперпрочные марки полистирола. Например, Styron A-Tech 1260 имеет повышенную трещиностойкость и предназначается для упаковки и сервирования пищевых продуктов. Другая марка, Styron A-Tech 1170 - предназначена для термоформования внутренних высокоударопрочных деталей холодильников. Необходимость модификации пластмасс непосредственно в процессе экструзии возникла в связи с развитием особых требований к изделиям, а имеющаяся номенклатура основных полимерных материалов уже не могла отвечать все возрастающим требованиям Различают суперконцентраты добавок - модификаторов свойств (Additive-Masterbatch) и суперконцентраты красителей (Color-Masterbatch). При введении добавок необходимо учитывать, что любая добавка разносторонне воздействует на полимерный материал, повышая одни характеристики и снижая другие. Например, простое окрашивание кристаллизующегося материала может привести к изменению его кристаллической структуры, изменить усадку и эксплутационные свойства. При выборе добавок также следует принимать во внимание, что содержание переходных металлов в них может служить катализатором различных химических реакций и в том числе ускорять деструкцию макромолекул полимера. Для предотвращения различных видов деструкции используются термостабилизаторы, антиоксиданты,светостабилизаторы, дезактиваторы металлов, антимикробные и фунгицидные добавки (Antioxidant, UV-stabilizer, Light stabilizer, Heat stabilizer, Metal deactivator, Antimicrobial biocide, bactericide, fungicide). При этом различают два типа стабилизации: стабилизацию в процессе переработки полимерного материала и длительную стабилизацию изделия. Стабилизаторы и их смеси предотвращают термо- и фотоокислительную деструкцию полимеров. Дезактиваторы металлических поверхностей улучшают внешний вид пластмассовых деталей, армированных металлом, в месте их соприкосновения с металлом а также снижают вредное воздействие ионов поливалентных металлов попадающих в изделие в процессе переработки. В качестве дезактиваторов используются соли дитиокарбамата, фенольные и азот содержащие производные например oxalylbis (benzylidene-hydrazide).
Номенклатура применяемых антимикробных, фунгицидных добавок довольно широка, около 20 производителей выпускают порядка 80 наименований антимикробных добавок. В настоящий момент на рынке биостабилизаторов бесспорное лидерство за соединениями мышьяка, а точнее, за 10,10-оксибисфеноксиарсином (ОВРА). За этим соединением остается около 70% рынка, что обусловлено оптимальным соотношением цена-качество. В качестве неорганических антимикробных систем в настоящий момент чаще используются соединения серебра и цинка. Такие соединения практически инертны и начинают выделять ионы серебра (которые с древних времен известны как прекрасное антибактериальное средство) только при взаимодействии с влагой. Преимуществами таких соединений являются высокая термостабильность (до 500°С) и очень низкий уровень токсичности. Они допущены к использованию в косметических продуктах.
Из технологических добавок следует назвать скользящие, антиблокирующие, вспенивающие, чистящие, фторсодержащие добавки, компатибилизаторы, модификаторы адгезии и вязкости (Slip, antiblocking, Blowing agent, Purge agent, Fluoropolymer, Compatibilizer, Adhesion promoter, Viscosity modifier, Crearing agent).
Применение скользящих добавок (смазок) позволяет улучшить внешний вид экструзионного изделия, уменьшить силы трения и адгезии, предотвратить слипание пленки в рулоне и облегчить размотку, а пакеты и папки со скользящей добавкой легко открываются. Эти модификаторы повышают текучесть полимерных материалов. В качестве скользящей добавки используются амиды олеиновой или эруковой кислот.
Амиды стеариновой и олеиновой (С18) кислот за счет более короткого углеводородного радикала быстрее мигрируют на поверхность, и значительное снижение коэффициента трения заметно сразу после экструзии (fast bloom) - такие скользящие присадки используются при упаковке в линию. Стеарамид не содержит ненасыщенных связей, поэтому обладает большей термостойкостью и стойкостью к окислению. Эрукамид (С22) имеет более длинный радикал, мигрирует медленнее, но более эффективен (slow bloom). Он изготавливается из растительного очищенного сырья, более теплостоек и не имеет запаха. Такие скользящие добавки подходят для изготовления упаковки для продуктов с высоким содержанием жира и длительными сроками хранения (например, майонеза). Избыток скользящей добавки отрицательно сказывается на эффективности коронной обработки и влечет за собой снижение адгезии красок.
Наиболее эффективный метод решения проблемы слипания пленок - добавление антиблокинга, который создает на поверхности пленки микрошероховатости, уменьшающие площадь контакта пленок. В качестве антиблокингов применяется 2 группы материалов - органические и неорганические.
Органические антиблокинги используются для изготовления наиболее прозрачных пленок, так как микрошероховатости на поверхности, создаваемые неорганическими антиблокингами, увеличивают светорассеяние и, соответственно, мутность пленки. Для наиболее прозрачных пленок рекомендуется использовать кварц или тальк, а для мутных наилучшим решением является мел. В отличие от скользящих добавок антиблокинги не влияют на коронную обработку поверхности и способны улучшать адгезию печатной краски за счет шероховатостей на поверхности пленки.
Фторсодержащие добавки повышают производительность процессов переработки, снижают давление расплава и температуру переработки полимера. Они плохо совместимы с основными полимерами и в местах наибольших усилий сдвига высаживаются из расплава на поверхность металла, создавая на ней антиадгезионный слой, по которому скользит расплав при формовании. Добавки позволяют устранить дефекты внешнего вида, увеличить гладкость изделий.
Вспенивающие агенты, введенные в полимерный материал в процессе экструзии снижают вес и изменяют внешний вид изделия. Чистящие концентраты применяются при чистке экструзионного оборудования, для быстрого перехода с цвета на цвет без остановки, чаще всего в пропорции 1:1 - 1:3 с полимером. В состав чистящих концентратов входят, как правило, мягкие минеральные наполнителя и поверхностно-активные моющие добавки.
Компатибилизаторы способствуют достижению совместимости различных полимеров, наполнителей и других добавок. Эти модификаторы, химически взаимодействуют с наполнителем и матрицей, и их лучше вводить во время переработки. К таким добавкам относятся химически модифицированные полимеры - малеинированные или модифицированные акриловой кислотой полиолефины, получаемые методом реакционной экструзии полиолефинов с малеиновым ангидридом и пероксидом, сополимеризацией акриловой кислоты с соответствующим мономером. Относительно недавно появились модифицирующие системы на основе олигомеров ненасыщенных карбоновых кислот (например, олеиновой) и метафенилен бисмалеимид. Основным преимуществом последнего материала является его универсальность, т. е. его эффективность не зависит от кислотности поверхности наполнителя. Модификаторы адгезии повышают адгезию к металлу (при литье с металлической арматурой) и полимерам (при многокомпонентном литье). Модификаторы вязкости изменяют вязкость полимера. В качестве модификаторов, повышающих вязкость, применяют сшивающие агенты (органические пероксиды).
К функциональным добавкам можно отнести антифоги, антипирены, антистатики, модификаторы блеска, нуклеаторы, пигменты, красители, эластификаторы, фотоинициаторы деструкции, абсорберы ИК-излучения, наполнители (Flame retardant, Antistatic agent, Gloss control agent, Nucleating agent, Colourant, Impact modifier, IR Absorber). При использовании парниковых пленок водяной пар конденсируется в виде маленьких капель на внутренней поверхности плёнок и может привести к снижению прозрачности парника, так как солнечные лучи отражаются и рассеиваются маленькими каплями.
Маленькие капли конденсата могут действовать как линзы, вызывая ожоги листьев растений. Кроме того, маленькие капли, собираясь в большие и падая на листья растений, вызывают различные болезни и насыщают воздух в парнике влагой, провоцируя развитие процессов гниения. Чтобы избавиться от этого недостатка, в парниковые плёнки вводят не совместимые с полимером поверхностно-активные вещества, которые мигрируют на поверхность и изменяют поверхностное натяжение полимерной плёнки и воды. При близких значениях поверхностного натяжения капли теряют сферическую форму и растекаются, образуя тонкий слой на поверхности плёнки. Вода стекает на землю и не повреждает растения; парник остаётся прозрачным для солнечного света. Основными требованиями к антифогам являются несовместимость с полимером и постоянная (в течение долгого времени) миграция добавки на поверхность.
Для получения трудногорючих композиционных материалов применяют антипирены. В качестве антипиренов используются вещества, выделяющие при повышении температуры до 400°С значительные количества негорючих паров или газов (карбонаты, гидрокарбонаты, гидроксиды), вещества, содержащие микрокапсулированные жидкости (воду, галоген-содержащие легкокипящие жидкости, фреоны, замещенные фосфаты и др.), а также вещества, способствующие коксообразованию полимеров (хлор- и бромсодержашие вещества, соединения фосфора, азота, бора, кремния и некоторых других элементов в сочетании с оксидом сурьмы или мышьяка, некоторыми соединениями железа, цинка, серы и других элементов).
Уменьшить удельное поверхностное сопротивление полимеров позволяют антистатические добавки, которые вводятся в полимерный материал и снижают электростатический заряд. Антистатики мигрируют к поверхности полимера и образуют плёнку, которая является гидроскопичной и абсорбирует влагу из воздуха. Абсорбированная влага снижает поверхностное сопротивление полимеров, что способствует стеканию электростатических зарядов. Антистатики делятся на две группы: внутренние и наружные. Наружные антистатики наносятся на поверхность изделия. Они быстро уносятся с поверхности, тем самым, требуя постоянного обновления. Все промышленно используемые внутренние антистатики представляют собой мигрирующие на поверхность добавки (анионные, катионные и неионогенные). Ионные антистатики используются в основном для полярных полимеров. Их не рекомендуется применять в полиолефинах из-за низкой термостабильности. Неионные антистатики это органические соединения дифильной структуры (содержащие в молекуле и гидрофобные, и гидрофильные части). Эти соединения мигрируют на поверхность и, образуя водородные связи с атмосферной влагой, создают тончайший слой воды на поверхности изделия, по которому стекают заряды. Свойства антистатиков этого типа в значительной степени зависят от атмосферной влажности.
Модификаторы блеска понижают (матирующие добавки) или повышают блеск материала. Повысить прозрачность можно с помощью специальных суперконцентратов модификаторов (нуклеаторов). Они улучшают прозрачность в результате нуклеации расплава, действуя как зародыше-образователи большого количества мелких сферолитов при охлаждении расплава. Так как размеры образующихся сферолитов равны или меньше длины волны видимого света, то они не рассеивают свет и увеличивают прозрачность полимерного изделия.
Эластификаторы - увеличивают ударную прочность, но уменьшают жесткость, прочность, теплостойкость. При использовании в гигроскопичных материалах уменьшают водопоглощение, увеличивают стабильность размеров. В качестве эластификаторов применяют каучуки, эластичные термопласты, термопластичные эластомеры.
Для получения фоторазлагаемых изделий в основном используются фотоинициаторы деструкции - производные 9,10-антрахинона или ароматических кетонов. Возможно применение специальных марок диоксида титана (анатазной формы), ускоряющих процесс деструкции полимеров.
Абсорберы ИК-излучения применяются для усиления парникового эффекта. В качестве основы добавок используются минеральные наполнители и флуоресцентные пигменты, преобразующие УФ и часть видимого излучения в красную и голубую части спектра видимого света. Введение суперконцентратов наполнителей в пластмассы вызвано необходимостью улучшения физико-механических свойств, тепло- и светостабильности, тепло- и электропроводности, снижения усадки и т.д. Для того чтобы повысить эффективность наполнителей, используется специальная поверхностная обработка наполнителей, а также применяются сложные технологические процессы, позволяющие контролировать размер и форму частиц в целях улучшения взаимодействия на границе раздела фаз системы полимер/наполнитель. Разрабатываются ультра-микродисперсные наполнители (нанокомпозиты с размерами частиц, измеряющимися в нанометрах). Последние работы с нанокомпозитами показали, что при введении 5% такого наполнителя достигается такой же эффект (повышение модуля), как и при введении 40% обычного талька.
Суперконцентраты наполнителей, содержащие сложные эфиры жирных кислот, которые облегчают диспергирование позволяют вводить до 70% наполнителя без существенного снижения физико-механических свойств, в то время как ударная вязкость повышается за счёт улучшения взаимодействия на границе раздела фаз и образования протяжённого граничного слоя, обладающего демпфирующими свойствами. Ведущие мировые исследовательские центры предсказывают существенный рост использования поверхностно обработанных наполнителей и модификаторов, вводимых на стадии переработки, что связано с развитием производства безгалогенных негорючих материалов и новейшими разработками в области нанокомпозитов.
В зависимости от области применения к экструзионным изделиям могут предъявляться и специфические требования. Например, для пленочных - термоусаживаемость, скручиваемость (твист-эффект), - возможность печати, устойчивость к действию факторов светопогоды и др. Для труб - устойчивость к воздействию агрессивных сред, долговечность. Для изделий, используемых в пищевой промышленности и медицине - биологическая индифферентность и др. Удовлетворить указанные требования позволяет сочетание различных полимеров с добавками. Основным сырьем для производства экструзионных изделий являются крупнотоннажные пластики (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирольные пластики, полиэтилентерефталат). На их долю приходится 87 % мирового производства пластмасс.
В связи с расширением областей применения полимеров совершенствуется и технология их производства - создаются установки большой мощности; совершенствуется металлоценовая технология производства полиэтилена, причем производство полиэтилена на металлоценовых катализаторах получает развитие и к 2015 г. достигнет 25 % всего потребления полиэтилена; ведется поиск новых катализаторов; разрабатываются различные компаунды для производства труб (сшитые силаном). Получает развитие производство новых марок полипропилена, менее хрупких по сравнению с известными в настоящее время. Европейской комиссией разработана новая экологически безопасная программа развития производства и применения ПВХ.
Фирма Dow Chemicl (США) разработала суперпрочные марки полистирола. Например, Styron A-Tech 1260 имеет повышенную трещиностойкость и предназначается для упаковки и сервирования пищевых продуктов. Другая марка, Styron A-Tech 1170 - предназначена для термоформования внутренних высокоударопрочных деталей холодильников. Необходимость модификации пластмасс непосредственно в процессе экструзии возникла в связи с развитием особых требований к изделиям, а имеющаяся номенклатура основных полимерных материалов уже не могла отвечать все возрастающим требованиям Различают суперконцентраты добавок - модификаторов свойств (Additive-Masterbatch) и суперконцентраты красителей (Color-Masterbatch). При введении добавок необходимо учитывать, что любая добавка разносторонне воздействует на полимерный материал, повышая одни характеристики и снижая другие. Например, простое окрашивание кристаллизующегося материала может привести к изменению его кристаллической структуры, изменить усадку и эксплутационные свойства. При выборе добавок также следует принимать во внимание, что содержание переходных металлов в них может служить катализатором различных химических реакций и в том числе ускорять деструкцию макромолекул полимера. Для предотвращения различных видов деструкции используются термостабилизаторы, антиоксиданты,светостабилизаторы, дезактиваторы металлов, антимикробные и фунгицидные добавки (Antioxidant, UV-stabilizer, Light stabilizer, Heat stabilizer, Metal deactivator, Antimicrobial biocide, bactericide, fungicide). При этом различают два типа стабилизации: стабилизацию в процессе переработки полимерного материала и длительную стабилизацию изделия. Стабилизаторы и их смеси предотвращают термо- и фотоокислительную деструкцию полимеров. Дезактиваторы металлических поверхностей улучшают внешний вид пластмассовых деталей, армированных металлом, в месте их соприкосновения с металлом а также снижают вредное воздействие ионов поливалентных металлов попадающих в изделие в процессе переработки. В качестве дезактиваторов используются соли дитиокарбамата, фенольные и азот содержащие производные например oxalylbis (benzylidene-hydrazide).
Номенклатура применяемых антимикробных, фунгицидных добавок довольно широка, около 20 производителей выпускают порядка 80 наименований антимикробных добавок. В настоящий момент на рынке биостабилизаторов бесспорное лидерство за соединениями мышьяка, а точнее, за 10,10-оксибисфеноксиарсином (ОВРА). За этим соединением остается около 70% рынка, что обусловлено оптимальным соотношением цена-качество. В качестве неорганических антимикробных систем в настоящий момент чаще используются соединения серебра и цинка. Такие соединения практически инертны и начинают выделять ионы серебра (которые с древних времен известны как прекрасное антибактериальное средство) только при взаимодействии с влагой. Преимуществами таких соединений являются высокая термостабильность (до 500°С) и очень низкий уровень токсичности. Они допущены к использованию в косметических продуктах.
Из технологических добавок следует назвать скользящие, антиблокирующие, вспенивающие, чистящие, фторсодержащие добавки, компатибилизаторы, модификаторы адгезии и вязкости (Slip, antiblocking, Blowing agent, Purge agent, Fluoropolymer, Compatibilizer, Adhesion promoter, Viscosity modifier, Crearing agent).
Применение скользящих добавок (смазок) позволяет улучшить внешний вид экструзионного изделия, уменьшить силы трения и адгезии, предотвратить слипание пленки в рулоне и облегчить размотку, а пакеты и папки со скользящей добавкой легко открываются. Эти модификаторы повышают текучесть полимерных материалов. В качестве скользящей добавки используются амиды олеиновой или эруковой кислот.
Амиды стеариновой и олеиновой (С18) кислот за счет более короткого углеводородного радикала быстрее мигрируют на поверхность, и значительное снижение коэффициента трения заметно сразу после экструзии (fast bloom) - такие скользящие присадки используются при упаковке в линию. Стеарамид не содержит ненасыщенных связей, поэтому обладает большей термостойкостью и стойкостью к окислению. Эрукамид (С22) имеет более длинный радикал, мигрирует медленнее, но более эффективен (slow bloom). Он изготавливается из растительного очищенного сырья, более теплостоек и не имеет запаха. Такие скользящие добавки подходят для изготовления упаковки для продуктов с высоким содержанием жира и длительными сроками хранения (например, майонеза). Избыток скользящей добавки отрицательно сказывается на эффективности коронной обработки и влечет за собой снижение адгезии красок.
Наиболее эффективный метод решения проблемы слипания пленок - добавление антиблокинга, который создает на поверхности пленки микрошероховатости, уменьшающие площадь контакта пленок. В качестве антиблокингов применяется 2 группы материалов - органические и неорганические.
Органические антиблокинги используются для изготовления наиболее прозрачных пленок, так как микрошероховатости на поверхности, создаваемые неорганическими антиблокингами, увеличивают светорассеяние и, соответственно, мутность пленки. Для наиболее прозрачных пленок рекомендуется использовать кварц или тальк, а для мутных наилучшим решением является мел. В отличие от скользящих добавок антиблокинги не влияют на коронную обработку поверхности и способны улучшать адгезию печатной краски за счет шероховатостей на поверхности пленки.
Фторсодержащие добавки повышают производительность процессов переработки, снижают давление расплава и температуру переработки полимера. Они плохо совместимы с основными полимерами и в местах наибольших усилий сдвига высаживаются из расплава на поверхность металла, создавая на ней антиадгезионный слой, по которому скользит расплав при формовании. Добавки позволяют устранить дефекты внешнего вида, увеличить гладкость изделий.
Вспенивающие агенты, введенные в полимерный материал в процессе экструзии снижают вес и изменяют внешний вид изделия. Чистящие концентраты применяются при чистке экструзионного оборудования, для быстрого перехода с цвета на цвет без остановки, чаще всего в пропорции 1:1 - 1:3 с полимером. В состав чистящих концентратов входят, как правило, мягкие минеральные наполнителя и поверхностно-активные моющие добавки.
Компатибилизаторы способствуют достижению совместимости различных полимеров, наполнителей и других добавок. Эти модификаторы, химически взаимодействуют с наполнителем и матрицей, и их лучше вводить во время переработки. К таким добавкам относятся химически модифицированные полимеры - малеинированные или модифицированные акриловой кислотой полиолефины, получаемые методом реакционной экструзии полиолефинов с малеиновым ангидридом и пероксидом, сополимеризацией акриловой кислоты с соответствующим мономером. Относительно недавно появились модифицирующие системы на основе олигомеров ненасыщенных карбоновых кислот (например, олеиновой) и метафенилен бисмалеимид. Основным преимуществом последнего материала является его универсальность, т. е. его эффективность не зависит от кислотности поверхности наполнителя. Модификаторы адгезии повышают адгезию к металлу (при литье с металлической арматурой) и полимерам (при многокомпонентном литье). Модификаторы вязкости изменяют вязкость полимера. В качестве модификаторов, повышающих вязкость, применяют сшивающие агенты (органические пероксиды).
К функциональным добавкам можно отнести антифоги, антипирены, антистатики, модификаторы блеска, нуклеаторы, пигменты, красители, эластификаторы, фотоинициаторы деструкции, абсорберы ИК-излучения, наполнители (Flame retardant, Antistatic agent, Gloss control agent, Nucleating agent, Colourant, Impact modifier, IR Absorber). При использовании парниковых пленок водяной пар конденсируется в виде маленьких капель на внутренней поверхности плёнок и может привести к снижению прозрачности парника, так как солнечные лучи отражаются и рассеиваются маленькими каплями.
Маленькие капли конденсата могут действовать как линзы, вызывая ожоги листьев растений. Кроме того, маленькие капли, собираясь в большие и падая на листья растений, вызывают различные болезни и насыщают воздух в парнике влагой, провоцируя развитие процессов гниения. Чтобы избавиться от этого недостатка, в парниковые плёнки вводят не совместимые с полимером поверхностно-активные вещества, которые мигрируют на поверхность и изменяют поверхностное натяжение полимерной плёнки и воды. При близких значениях поверхностного натяжения капли теряют сферическую форму и растекаются, образуя тонкий слой на поверхности плёнки. Вода стекает на землю и не повреждает растения; парник остаётся прозрачным для солнечного света. Основными требованиями к антифогам являются несовместимость с полимером и постоянная (в течение долгого времени) миграция добавки на поверхность.
Для получения трудногорючих композиционных материалов применяют антипирены. В качестве антипиренов используются вещества, выделяющие при повышении температуры до 400°С значительные количества негорючих паров или газов (карбонаты, гидрокарбонаты, гидроксиды), вещества, содержащие микрокапсулированные жидкости (воду, галоген-содержащие легкокипящие жидкости, фреоны, замещенные фосфаты и др.), а также вещества, способствующие коксообразованию полимеров (хлор- и бромсодержашие вещества, соединения фосфора, азота, бора, кремния и некоторых других элементов в сочетании с оксидом сурьмы или мышьяка, некоторыми соединениями железа, цинка, серы и других элементов).
Уменьшить удельное поверхностное сопротивление полимеров позволяют антистатические добавки, которые вводятся в полимерный материал и снижают электростатический заряд. Антистатики мигрируют к поверхности полимера и образуют плёнку, которая является гидроскопичной и абсорбирует влагу из воздуха. Абсорбированная влага снижает поверхностное сопротивление полимеров, что способствует стеканию электростатических зарядов. Антистатики делятся на две группы: внутренние и наружные. Наружные антистатики наносятся на поверхность изделия. Они быстро уносятся с поверхности, тем самым, требуя постоянного обновления. Все промышленно используемые внутренние антистатики представляют собой мигрирующие на поверхность добавки (анионные, катионные и неионогенные). Ионные антистатики используются в основном для полярных полимеров. Их не рекомендуется применять в полиолефинах из-за низкой термостабильности. Неионные антистатики это органические соединения дифильной структуры (содержащие в молекуле и гидрофобные, и гидрофильные части). Эти соединения мигрируют на поверхность и, образуя водородные связи с атмосферной влагой, создают тончайший слой воды на поверхности изделия, по которому стекают заряды. Свойства антистатиков этого типа в значительной степени зависят от атмосферной влажности.
Модификаторы блеска понижают (матирующие добавки) или повышают блеск материала. Повысить прозрачность можно с помощью специальных суперконцентратов модификаторов (нуклеаторов). Они улучшают прозрачность в результате нуклеации расплава, действуя как зародыше-образователи большого количества мелких сферолитов при охлаждении расплава. Так как размеры образующихся сферолитов равны или меньше длины волны видимого света, то они не рассеивают свет и увеличивают прозрачность полимерного изделия.
Эластификаторы - увеличивают ударную прочность, но уменьшают жесткость, прочность, теплостойкость. При использовании в гигроскопичных материалах уменьшают водопоглощение, увеличивают стабильность размеров. В качестве эластификаторов применяют каучуки, эластичные термопласты, термопластичные эластомеры.
Для получения фоторазлагаемых изделий в основном используются фотоинициаторы деструкции - производные 9,10-антрахинона или ароматических кетонов. Возможно применение специальных марок диоксида титана (анатазной формы), ускоряющих процесс деструкции полимеров.
Абсорберы ИК-излучения применяются для усиления парникового эффекта. В качестве основы добавок используются минеральные наполнители и флуоресцентные пигменты, преобразующие УФ и часть видимого излучения в красную и голубую части спектра видимого света. Введение суперконцентратов наполнителей в пластмассы вызвано необходимостью улучшения физико-механических свойств, тепло- и светостабильности, тепло- и электропроводности, снижения усадки и т.д. Для того чтобы повысить эффективность наполнителей, используется специальная поверхностная обработка наполнителей, а также применяются сложные технологические процессы, позволяющие контролировать размер и форму частиц в целях улучшения взаимодействия на границе раздела фаз системы полимер/наполнитель. Разрабатываются ультра-микродисперсные наполнители (нанокомпозиты с размерами частиц, измеряющимися в нанометрах). Последние работы с нанокомпозитами показали, что при введении 5% такого наполнителя достигается такой же эффект (повышение модуля), как и при введении 40% обычного талька.
Суперконцентраты наполнителей, содержащие сложные эфиры жирных кислот, которые облегчают диспергирование позволяют вводить до 70% наполнителя без существенного снижения физико-механических свойств, в то время как ударная вязкость повышается за счёт улучшения взаимодействия на границе раздела фаз и образования протяжённого граничного слоя, обладающего демпфирующими свойствами. Ведущие мировые исследовательские центры предсказывают существенный рост использования поверхностно обработанных наполнителей и модификаторов, вводимых на стадии переработки, что связано с развитием производства безгалогенных негорючих материалов и новейшими разработками в области нанокомпозитов.
ЛИТЬЕ ПЛАСТМАСС: снижение себестоимости
Себестоимость - один из важнейших факторов, определяющих конкурентоспособность производства. При таком крупносерийном и массовом производстве стандартной продукции, каковым является литье под давлением деталей из полимерных материалов (ПМ), этим фактором в первую очередь определяется рентабельность производства. Поэтому снижение себестоимости серийной продукции наряду с освоением новых видов изделий является приоритетной задачей предприятий по производству литьевых изделий.
Эти вопросы, без сомнения, в той или иной степени решаются на каждом предприятии. Однако, учитывая актуальность проблемы, специалисты ООО «Промышленные Технологии» сделали попытку систематизировать этапы анализа эффективности налаженного производства при проведении организационно-технических мероприятий по его модернизации и снижению себестоимости литьевой продукции, что, возможно, поможет руководителям проверить, все ли сделано для этой цели.
С учетом большой многовариантности литьевых производств мероприятия по их модернизации могут сильно различаться в зависимости от технического содержания, масштаба, продолжительности и экономической эффективности. Кроме того, при разработке мероприятий необходимо прорабатывать не только возможные варианты, но и последовательность их осуществления.
Доля косвенных расходов (общепроизводственных и общехозяйственных) принята сравнительно большой в связи с низким уровнем съема продукции с единицы оборудования. Кроме того, следует заметить, что составляющая себестоимости продукции, расходуемая на зарплату сотрудников, принята характерной для отечественного производства, хотя в разных странах и регионах с различным уровнем доходов на душу населения она может значительно различаться.
Как показал опыт исследования работы различных литьевых производств, мероприятия по их модернизации целесообразно проводить в несколько этапов, группируя на каждом этапе мероприятия, имеющие одинаковую направленность.
На каждом этапе проводится следующая аналитическая работа:
•технологический анализ производства;
•технико-экономическая проработка вариантов мероприятий;
•экономическая оценка вариантов мероприятий;
•формирование состава мероприятий.
1-й этап. Совершенствование организации производства
На этом этапе проводятся мероприятия, направленные только на совершенствование организации производства, обеспечивающие ликвидацию непроизводственных потерь и не вносящие каких-либо изменений в технологический процесс и его техническое оснащение - оборудование и оснастку, т. е. наименее капиталоемкие мероприятия. Срок их окупаемости составляет обычно от нескольких недель до нескольких месяцев.
В результате технико-экономического анализа производства в нем выявляются наиболее вероятные «узкие места», такие, как:
•несоответствие ассортимента изделий структуре парка литьевых машин;
•несоответствие квалификации персонала составу проводимых работ;
•неполное использование возвратных отходов;
•нерациональность проектных решений по размещению оборудования и организации материальных потоков.
Далее формируется комплекс мероприятий, направленных на снижение непроизводственных расходов и увеличение выпуска продукции, включая:
•частичное перераспределение изделий по литьевым машинам;
•повышение степени использования возвратных отходов;
•повышение квалификации и сокращение численного количества персонала;
•внедрение более прогрессивных методов организации ремонта оборудования и пресс-форм;
•рациональную организацию материальных потоков по снабжению сырьем, производству и вывозу продукции;
•организацию специализированных участков по выпуску однотипной продукции.
Снижение себестоимости, достигаемое на 1-м этапе, зависит прежде всего от того, насколько повышение эффективности использования производственных ресурсов и ликвидация «узких мест» способствовали сокращению прямых расходов и увеличению выпуска продукции.
2-й этап. Совершенствование технологии
На 2-м этапе разрабатываются мероприятия, направленные на совершенствование технологических процессов на базе имеющихся на предприятии ТПА и пресс-форм.
На этом этапе проводится полный технологический анализ производства, включая:
•анализ структуры норм расхода материала;
•анализ структуры норм обслуживания ТПА и трудозатрат в целом;
•анализ структуры технологических циклов.
В результате анализа могут быть выявлены наиболее явные несоответствия между имеющимся и достижимым уровнями технологических процессов и сформированы первоочередные направления совершенствования технологии производства, например:
•повышение уровня технологической дисциплины в целях снижения количества некондиционной продукции;
•совершенствование конструкции оснастки в целях снижения трудоемкости доделочных операций;
•применение технологических добавок, повышающих производительность процесса литья;
•интенсификация охлаждения изделий.
При разработке конкретного перечня мероприятий следует учитывать, что наибольшую экономию обеспечивают мероприятия общепроизводственного характера (например, ужесточение входного контроля сырья или увеличение мощности холодильных установок). Мероприятия же, проводимые на уровне отдельных изделий (например, доработка пресс-форм), дают ощутимый экономический выигрыш только при их внедрении в массовом порядке.
Потенциал снижения себестоимости, достигаемый на 2-м этапе, зависит не только от состава, но и от масштаба проводимых мероприятий.
В целом на 2-м этапе проводятся технологические, т. е. малокапиталоемкие, мероприятия, обеспечивающие заметное снижение себестоимости без изменения оборудования и оснастки. Срок окупаемости таких мероприятий, как правило, не превышает 1 года.
3-й этап. Оптимизация технологических процессов и модернизация оборудования и оснастки
На 3-м этапе разрабатываются мероприятия, направленные на системную оптимизацию технологических процессов и модернизацию оборудования и оснастки. На этом этапе проводится комплексный аппаратурно-технологический анализ производства, в том числе по следующим направлениям:
•анализ полноты использования технологических возможностей литьевых машин;
•анализ прогрессивности конструкции пресс-форм и показателей их износостойкости;
•анализ степени механизации и автоматизации трудовых процессов и возможностей ее повышения.
В процессе анализа проводится сопоставление технического уровня производства и современных зарубежных и отечественных достижений и выявляются наиболее эффективные направления модернизации оборудования и оснастки, среди которых:
•интенсификация технологических процессов путем более полного использования возможностей ТПА (в том числе путем возможного увеличения гнездности пресс-форм);
•автоматизация операций загрузки сырья, съема, транспортирования и укладки продукции; - внедрение новых методов проектирования и изготовления пресс-форм;
•модернизация имеющихся и (или) закупка новых, в том числе быстроходных, ТПА.
Мероприятия по замене оборудования и оснастки могут иметь наибольшее влияние на снижение себестоимости при условии их правильного подбора и грамотной реализации. В зависимости от их содержания и направленности, они могут существенно изменить структуру себестоимости продукции.
В целом на 3-м этапе проводятся наиболее капиталоемкие мероприятия, обеспечивающие существенное снижение себестоимости и изменение ее структуры. При этом определяется сумма инвестиций, необходимых для реализации рассматриваемых мероприятий, и рассчитывается экономическая эффективность их осуществления исходя из сроков их реализации, источников финансирования, процентных ставок кредита и т.п. Срок окупаемости таких мероприятий варьируется в диапазоне от нескольких кварталов до нескольких лет.
Таким образом, в результате проведения всех трех этапов мероприятий по модернизации производства происходит снижение расходов первичного сырья – до 10%, прямых трудозатрат – в 3–4 раза. Одновременно достигается увеличение съема изделий: с одной пресс-формы – в 1,7–2,5 раза, с одного ТПА – в 1,4–2,2 раза. В целом общий потенциал снижения себестоимости в производстве литьевой продукции составляет до 39% от ее исходного уровня, или 1,6 раза .
При этом принципиально изменяются как уровень, так и структура себестоимости производства литьевой продукции. Так, доля сырья в себестоимости продукции возрастает с 40 до 58%, а доля расходов на переработку снижается с 60 до 42%, и таким образом структура себестоимости приближается к той, которая рекомендуется западными компаниями – поставщиками высокотехнологичного литьевого оборудования.
Эти вопросы, без сомнения, в той или иной степени решаются на каждом предприятии. Однако, учитывая актуальность проблемы, специалисты ООО «Промышленные Технологии» сделали попытку систематизировать этапы анализа эффективности налаженного производства при проведении организационно-технических мероприятий по его модернизации и снижению себестоимости литьевой продукции, что, возможно, поможет руководителям проверить, все ли сделано для этой цели.
С учетом большой многовариантности литьевых производств мероприятия по их модернизации могут сильно различаться в зависимости от технического содержания, масштаба, продолжительности и экономической эффективности. Кроме того, при разработке мероприятий необходимо прорабатывать не только возможные варианты, но и последовательность их осуществления.
Доля косвенных расходов (общепроизводственных и общехозяйственных) принята сравнительно большой в связи с низким уровнем съема продукции с единицы оборудования. Кроме того, следует заметить, что составляющая себестоимости продукции, расходуемая на зарплату сотрудников, принята характерной для отечественного производства, хотя в разных странах и регионах с различным уровнем доходов на душу населения она может значительно различаться.
Как показал опыт исследования работы различных литьевых производств, мероприятия по их модернизации целесообразно проводить в несколько этапов, группируя на каждом этапе мероприятия, имеющие одинаковую направленность.
На каждом этапе проводится следующая аналитическая работа:
•технологический анализ производства;
•технико-экономическая проработка вариантов мероприятий;
•экономическая оценка вариантов мероприятий;
•формирование состава мероприятий.
1-й этап. Совершенствование организации производства
На этом этапе проводятся мероприятия, направленные только на совершенствование организации производства, обеспечивающие ликвидацию непроизводственных потерь и не вносящие каких-либо изменений в технологический процесс и его техническое оснащение - оборудование и оснастку, т. е. наименее капиталоемкие мероприятия. Срок их окупаемости составляет обычно от нескольких недель до нескольких месяцев.
В результате технико-экономического анализа производства в нем выявляются наиболее вероятные «узкие места», такие, как:
•несоответствие ассортимента изделий структуре парка литьевых машин;
•несоответствие квалификации персонала составу проводимых работ;
•неполное использование возвратных отходов;
•нерациональность проектных решений по размещению оборудования и организации материальных потоков.
Далее формируется комплекс мероприятий, направленных на снижение непроизводственных расходов и увеличение выпуска продукции, включая:
•частичное перераспределение изделий по литьевым машинам;
•повышение степени использования возвратных отходов;
•повышение квалификации и сокращение численного количества персонала;
•внедрение более прогрессивных методов организации ремонта оборудования и пресс-форм;
•рациональную организацию материальных потоков по снабжению сырьем, производству и вывозу продукции;
•организацию специализированных участков по выпуску однотипной продукции.
Снижение себестоимости, достигаемое на 1-м этапе, зависит прежде всего от того, насколько повышение эффективности использования производственных ресурсов и ликвидация «узких мест» способствовали сокращению прямых расходов и увеличению выпуска продукции.
2-й этап. Совершенствование технологии
На 2-м этапе разрабатываются мероприятия, направленные на совершенствование технологических процессов на базе имеющихся на предприятии ТПА и пресс-форм.
На этом этапе проводится полный технологический анализ производства, включая:
•анализ структуры норм расхода материала;
•анализ структуры норм обслуживания ТПА и трудозатрат в целом;
•анализ структуры технологических циклов.
В результате анализа могут быть выявлены наиболее явные несоответствия между имеющимся и достижимым уровнями технологических процессов и сформированы первоочередные направления совершенствования технологии производства, например:
•повышение уровня технологической дисциплины в целях снижения количества некондиционной продукции;
•совершенствование конструкции оснастки в целях снижения трудоемкости доделочных операций;
•применение технологических добавок, повышающих производительность процесса литья;
•интенсификация охлаждения изделий.
При разработке конкретного перечня мероприятий следует учитывать, что наибольшую экономию обеспечивают мероприятия общепроизводственного характера (например, ужесточение входного контроля сырья или увеличение мощности холодильных установок). Мероприятия же, проводимые на уровне отдельных изделий (например, доработка пресс-форм), дают ощутимый экономический выигрыш только при их внедрении в массовом порядке.
Потенциал снижения себестоимости, достигаемый на 2-м этапе, зависит не только от состава, но и от масштаба проводимых мероприятий.
В целом на 2-м этапе проводятся технологические, т. е. малокапиталоемкие, мероприятия, обеспечивающие заметное снижение себестоимости без изменения оборудования и оснастки. Срок окупаемости таких мероприятий, как правило, не превышает 1 года.
3-й этап. Оптимизация технологических процессов и модернизация оборудования и оснастки
На 3-м этапе разрабатываются мероприятия, направленные на системную оптимизацию технологических процессов и модернизацию оборудования и оснастки. На этом этапе проводится комплексный аппаратурно-технологический анализ производства, в том числе по следующим направлениям:
•анализ полноты использования технологических возможностей литьевых машин;
•анализ прогрессивности конструкции пресс-форм и показателей их износостойкости;
•анализ степени механизации и автоматизации трудовых процессов и возможностей ее повышения.
В процессе анализа проводится сопоставление технического уровня производства и современных зарубежных и отечественных достижений и выявляются наиболее эффективные направления модернизации оборудования и оснастки, среди которых:
•интенсификация технологических процессов путем более полного использования возможностей ТПА (в том числе путем возможного увеличения гнездности пресс-форм);
•автоматизация операций загрузки сырья, съема, транспортирования и укладки продукции; - внедрение новых методов проектирования и изготовления пресс-форм;
•модернизация имеющихся и (или) закупка новых, в том числе быстроходных, ТПА.
Мероприятия по замене оборудования и оснастки могут иметь наибольшее влияние на снижение себестоимости при условии их правильного подбора и грамотной реализации. В зависимости от их содержания и направленности, они могут существенно изменить структуру себестоимости продукции.
В целом на 3-м этапе проводятся наиболее капиталоемкие мероприятия, обеспечивающие существенное снижение себестоимости и изменение ее структуры. При этом определяется сумма инвестиций, необходимых для реализации рассматриваемых мероприятий, и рассчитывается экономическая эффективность их осуществления исходя из сроков их реализации, источников финансирования, процентных ставок кредита и т.п. Срок окупаемости таких мероприятий варьируется в диапазоне от нескольких кварталов до нескольких лет.
Таким образом, в результате проведения всех трех этапов мероприятий по модернизации производства происходит снижение расходов первичного сырья – до 10%, прямых трудозатрат – в 3–4 раза. Одновременно достигается увеличение съема изделий: с одной пресс-формы – в 1,7–2,5 раза, с одного ТПА – в 1,4–2,2 раза. В целом общий потенциал снижения себестоимости в производстве литьевой продукции составляет до 39% от ее исходного уровня, или 1,6 раза .
При этом принципиально изменяются как уровень, так и структура себестоимости производства литьевой продукции. Так, доля сырья в себестоимости продукции возрастает с 40 до 58%, а доля расходов на переработку снижается с 60 до 42%, и таким образом структура себестоимости приближается к той, которая рекомендуется западными компаниями – поставщиками высокотехнологичного литьевого оборудования.
Подписаться на:
Сообщения (Atom)