Laboratorium: Procesy Chemiczne

Wnętrze lodówki

Ewelina Jakubcewicz, 185557

grupa „E”

Lodówka to newralgiczne miejsce w kuchni, a więc również w całym domu. Niemożliwe jest funkcjonowanie bez niej, gdyż przechowujemy w niej niezbędną do życia żywność. W każdym domu znajduje się przynajmniej jedna lodówka. Wnętrze lodówki powinno być wykonane z materiałów łatwych do mycia i utrzymania w czystości. Materiały powinny być nietoksyczne i niechłonące wilgoci oraz dostosowane do użycia w temperaturze pracy lodówki.

Półki i szuflady są robione z różnych materiałów. Najbardziej wytrzymałe jest hartowane szkło, choć najczęściej są spotykane półki żeberkowe z drutu powleczonego tworzywem sztucznym. Są tańsze, choć trudniejsze w utrzymaniu czystości i mniej estetyczne niż półki szklane.

Rys. 1 Półka żeberkowa w lodówce

Szuflady wykonane są z tworzyw sztucznych dostosowanych do kontaktu z żywnością.

Polistyren (-[CH₂CH(C₆H₅])_n- jest jednym z najczęściej używanych tworzyw sztucznych, ponieważ charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, niską ceną i dobrą przetwarzalnością. Ogólne właściwości tworzywa: budowa liniowa i duży ciężar cząsteczkowy, najlżejsze z termoplastów (gęstość 1,03 - 1,06 g/cm³), kruche i mało elastyczne, przezroczyste (przepuszcza 90% światła widzialnego, ale dzięki licznym możliwościom barwienia, gotowe wyroby z polistyrenu nie są najczęściej przezroczyste), doskonałe właściwości dielektryczne, dobra odporność chemiczna, niska chłonność wody, bardzo mała przewodność cieplna, rozszerzalność ośmiokrotnie większa niż stali, mała udarność, interesujące właściwości optyczne (współczynnik załamania światła nD (20ºC) = 1,5916 - 1,5927, krytyczny kąt padania światła - 38º55"), palne, rozpuszcza się w benzenie, toluenie, styrenie, tetrawodorofuranie, dioksanie, cykloheksanie, dwusiarczku węgla i tri chloroetylenie, nie rozpuszcza się węglowodorach alifatycznych, niższych alkoholach, eterze, fenolu, kwasie octowym i w wodzie, odporne na działanie kwasów (z wyjątkiem azotowego), zasad, węglowodorów nasyconych, alkoholi, olejów mineralnych i roślinnych, w stosunku do polietylenu i polipropylenu ma niższa temperaturę mięknięcia (Tm = 80 - 120ºC) i mniejszą lepkość stopu, dzięki czemu łatwiej jest z niego otrzymywać w procesie formowania wtryskowego niewielkie przedmioty o złożonych kształtach, depolimeryzuje dopiero przy 300ºC. W Polsce produkowane są dwa typy polistyrenu:

- polistyren S o własnościach przeciętnych (PN-71/C-89292)

- polistyren K wysokoudarowy (PN-71/C-89293), modyfikowany kauczukiem butadienowym lub butadienowo-styrenowym.

Polistyren wysokoudarowy (high impact polystyrene PS-HI)

PS wysokoudarowy jest wytwarzany na drodze polimeryzacji wolnorodnikowej styrenu w mieszaninie z kauczukiem polibutadienowym, w wyniku której otrzymuje się łańcuch PS ze szczepionymi łańcuchami polibutadienu. Łańcuchy polibutadienu stanowią oddzielną fazę (polibutadien i polistyren nie mieszają się ze sobą), dzięki czemu polistyren jest sztywny i jednocześnie odporny na uderzenia. PS-HI jest polimerem półprzejrzystym.

Główne kierunki zastosowania polistyrenu wysokoudarnościowego to: opakowania do żywności, opakowania jednostkowe (kasety i płyty CD, kasetki na biżuterię), towary konsumpcyjne (zabawki, kabiny prysznicowe), artykuły jednorazowe (kubki, sztućce), drobny sprzęt medyczny (pojemniki na odpady, szalki Petriego), artykuły AGD (m.in. obudowy telewizorów, komputerów, konstrukcja nośna lodówek i zamrażarek).

SAN - styren-akrylonitryl (nazwa handlowa: Tyril):

Styren-akrylonitryl) (SAN) jest kopolimerem styrenu i akrylonitrylu. Zawartość akrylonitrylu w tym tworzywie waha się zazwyczaj w granicach 20-30% SAN przeważnie zastępuje polistyren ogólnego zastosowania w aplikacjach wymagających podwyższonej odporności chemicznej oraz nieco wyższej odpornosci termicznej.

Rys. 2 Wzór chemiczny polimeru SAN

Czołowi producenci kopolimeru SAN to Styron, Styrolution i Polimeri Europe.

Najważniejsze właściwości kopolimeru SAN: wysoka przezroczystość, odporność chemiczna, duża sztywność, wysoka twardość powierzchniowa. Charakteryzuje się doskonałą odpornością chemiczną, wytrzymałością, twardością i stabilnością wymiarową, a także przezroczystością, stąd znalazł szerokie zastosowanie w produkcji pojemników, urządzeń AGD, motoryzacji; obudów akumulatorów i oświetlenia. Znakomicie nadaje się do samodzielnego barwienia. Kopolimer SAN jest tworzywem o dużej przezroczystości, a wytwarzane z niego elementy cechuje lekki połysk. Ponadto odporność na zarysowania czyni go materiałem odpowiednim do produkcji stojaków produktowych i artykułów kosmetycznych. Kopolimer SAN ma naturalnie lekko żółte zabarwienie, ale dostępny jest również w odcieniu błękitnym. Ponieważ standardowa odmiana SAN nie jest przystosowana do aplikacji zewnętrznych, opracowano też warianty odporne na działanie promieniowania UV. Typowe zastosowania kopolimeru styren/akrylonitryl (SAN): elementy lodówek, przegrody półek, osłony oświetleniowe, opakowania kosmetyczne, sprzęt kuchenny. Wykonuje się z niego tace do lodówek i zamrażarek.

Tworzywo ABS - kopolimer akrylonitrylo-butadienowo-styrenowy (nazwa handlowa: Magnum, producent: Styron):

Rys. 3 Wzór ABS

Rys. 4 ABS - wygląd

Kopolimer akrylonitrylo-butadienowo-styrenowy (ABS) jest amorficznym polimerem otrzymywanym na drodze polimeryzacji emulsyjnej lub polimeryzacji w masie akrylonitrylu ze styrenem w obecności polibutadienu.. Spośród wielu producentów ABS wymienić można Styron, LG Chem, Chi-Mei i Styrolution. Styron wykorzystuje proces polimeryzacji w masie, pozostali producenci stosują technologię polimeryzacji emulsyjnej. Podstawowe własności ABS to: udarność i twardość, płynięcie, odporność termiczna. Styren zapewnia tworzywu ABS dobre przetwórstwo, akrylonitryl – sztywność, wytrzymałość na wysokie temperatury i odporność chemiczną, natomiast butadien czyni je wytrzymalszym i bardziej sprężystym, również w niskich temperaturach. Zmieniając proporcje poszczególnych składników tworzywa ABS oraz dodając modyfikatory producenci tworzą różne gatunki o określonych własnościościach. ABS ma niską na warunki atmosferyczne, dlatego poleca się stosowanie go jedynie do aplikacji wewnętrznych. Tworzywo ABS można stosować w zakresie temperatury od -20°C do +80°C. Jest odporne na działanie wodnych roztworów kwasów, zasad, stężonego kwasu chlorowodorowego i fosforowego, alkoholi oraz olejów zwierzęcych, roślinnych i mineralnych. Ulega natomiast stężonym kwasom: siarkowemu i azotowemu. ABS rozpuszcza się w estrach, ketonach, acetonie i chlorku etylenu. Przetwórstwo tworzywa ABS obejmuje procesy formowania wtryskowego i wytłaczania. Typowe zastosowania tworzywa ABS: zabawki, dobra konsumenckie, telefony, kaski ochronne, motoryzacja (wewnętrzne panele drzwiowe, słupki, elementy foteli, kratki wlotu powietrza, deski rozdzielcze, obudowy lusterek), sprzęt (obudowy urządzeń kuchennych i odkurzaczy, panele sterowania sprzętu AGD), wytłaczanie (płyty, brodziki łazienkowe, dachy do ciągników, obrzeża meblowe, wnętrza lodówek.

Przetwórstwo:

Do kształtowania polistyrenów najczęściej stosuje się metodę wtrysku, termoformowania a w przypadku odmian wysokoudarowych – także wytłaczanie. Technologia wtrysku ma utrwalone miejsce wśród różnych technik przetwarzania tworzyw sztucznych, szczególnie kształtowania formowego. Wiąże się to z bardzo oszczędnym zużyciem materiału. Metodą wtrysku przetwarza się 60 - 70% tworzyw polistyrenowych.

Kształtowanie polistyrenu metodą wtrysku:

Tworzywo w postaci granulek lub proszku jest dostarczane do ogrzewanego cylindra, gdzie staje się półpłynne i pod wpływem nacisku tłoka przechodzi przez dyszę do chłodzonej formy, w której zastyga. Temperatura cylindra zależy od rodzaju przetwarzanego tworzywa. Przeważnie mieści się ona w granicach 200 - 250°C, wzrastając w kierunku zgodnym z kierunkiem przesuwania się tworzywa. Cykl wtryskowy dla polistyrenu trwa od 15 s do 180 s (czasami nawet krócej). Tworzywo znajduje się pod wysokim ciśnieniem tłoka osiągającym wartość kilkuset kilogramów na cm².

Metoda wytłaczania

Tworzywo jest przetłaczane wzdłuż ogrzewanego cylindra przez obracający się ślimak i w stanie „gęstego syropu” przechodzi przez ustnik profilujący lub szczelinę, a po ochłodzeniu zastyga w postaci ciągłego wyrobu o pożądanym profilu. Temperatura procesu mieści się w takim samym zakresie jak w przypadku metody wtrysku.

Schemat technologiczny sekcji przetwórstwa polistyrenu suspensyjnego:

1 – cyklon

2 – zasobnik

3 – dozowniki

4 – mieszalnik

5 – wytłaczarka

6 – krajalnica

7 – sito

8 – młyn

P - produkt

Rys. 5 Schemat metody wytłaczania

Metoda termoformowania

Termoformowanie to nazwa procesu technologicznego, w którym z płaskich folii lub płyt, podgrzanych wstępnie do określonej temperatury charakterystycznej dla danego tworzywa, formuje się produkty o określonych kształtach. Stosunkowo tanie i wysoko wydajne przetwórstwo sprawia, że termoformowanie jest powszechnie wykorzystywane zarówno w produkcji opakowań, jak i produktów wielkogabarytowych. Oferowane rozwiązania techniczne przewidują wiele różnorodnych wariantów: od produkcji jednostkowej i prototypowej do masowej skali wielkoprzemysłowej. Podczas termoformowania mamy do czynienia z dwiema podstawowymi operacjami: ogrzewaniem półfabrykatu i kształtowaniem (formowaniem). Poddawany obróbce materiał zamocowany jest za pomocą ramy dociskowej. Ogrzewanie elektryczne zapewniają promienniki zlokalizowane po jednej lub obu stronach poddanego obróbce materiału. Czas ogrzewania wymagany do uzyskania odpowiednio miękkiego półfabrykatu zależy od rodzaju polimeru, grubości i koloru. Rodzaj polimeru i ewentualne napełnienie wiążą się z różnym przewodnictwem cieplnym obrabianego termicznie materiału. Białe płyty trudniej pochłaniają promieniowanie cieplne w podczerwieni i wymagają dłuższego okresu ogrzewania niż ciemno zabarwione elementy. Przewaga termoformowania części wielkogabarytowych nad technologią wtrysku jest wyraźna. Termoformowanie wykonuje się na stosunkowo tanich urządzeniach i formach, w warunkach relatywnie niskich temperatur przetwórstwa i ciśnienia. PS-HI jest najlepszym materiałem do termoformowania ze względu na swoje wysokie właściwość formowania termicznego oraz dzięki dodatku butadienu. Uwagi: ważne jest, aby unikać promieniowania UV. Zastosowanie: jednorazówki (kubki, talerze), opakowania, wnętrza lodówek. Sposób grzania w termoformierce:

Większość materiałów termoplastycznych wchłania promieniowanie IR. Oczywiste jest, że poziom absorpcji jest uzależniony od gabarytu materiału, a także długości fali promieniowania. Poziom absorpcji jest wyższy im materiał jest grubszy. Ważnym elementem są grzałki (promienniki), które promieniują prostopadle, ale również wokół siebie. Należy zwracać uwagę, by grzałka w którejkolwiek strefie nie straciła mocy ponieważ oddziaływuje to na całą napromieniowaną strefę. Równomierne ogrzewanie można osiągnąć dzięki indywidualnemu wysterowaniu każdej grzałki jak i redukcji temperatury w środku pola.

1 - Spirala grzewcza

2 - Izolacja temperaturowa

3 - Obudowa ceramiczna

4 - Króciec mocujący

5 - Termoelement

6 - Przyłącze elektryczne

Rys. 6 Przekrój grzałki ceramicznej

Metody formowania:

Przebieg procesu termoformowania materiału termoplastycznego.

1. Uzyskanie temperatury formowania na tworzywie.

2. Rozciąganie wstępne ogrzanego materiału (balon, stempel)

3. Wykonanie tłoczenia (termoformowanie próżniowe)

4. Schładzanie wytłoczonego elementu (wentylatory, mgła wodna)

Wyróżniamy dwie metody tłoczenia pozytywowe i negatywowe. Tłoczenie pozytywowe polega na modelowaniu według zewnętrznego obrysu formy, gdzie najgrubsze miejsce jest na spodzie, natomiast najcieńsze na krawędzi. Występują zmarszczki i spory odpad. Tłoczenie negatywowe polega na modelowaniu według wewnętrznego obrysu formy, gdzie najgrubsze miejsce jest na krawędzi natomiast najcieńsze na spodzie. Brak zmarszczek i pociemnienia materiału. Przy wyborze metody formowania należy kierować się między innymi tym, iż korzystniej jest, aby widoczna strona wypraski nie stykała się podczas procesu formowania z formą.

Formowanie bez i z stemplem:

Rys. 7 Tłoczenie wklęsłe bez stempla górnego. Rys. 8 Tłoczenie wklęsłe z stemplem górnym.

Rozdmuch, odsysanie.

1. Rozdmuch - inaczej balon ma na celu wstępne rozciąganie tłoczonego materiału po przez nadciśnienie.

2. Odsysanie – czyli wstępne formowanie materiału poprzez uzyskanie próżni.

Powstanie i zapobieganie zmarszczek.

Jednym z mankamentów procesu formowania jest powstawanie zmarszczek (zaprasek). Jest wiele sposobów bądź też kombinacji ustawienia parametrów termoformierki tak, aby temu zapobiec. Można wykluczyć powstawanie zaprasek stosując między innymi:

-zmniejszenie prędkości przepływu próżni w początkowej fazie ciągnięcia,

- kontrolę temperatury formy,

- kontrola temperatury materiału uwzględniając również regulację każdej grzałki indywidualnie (zbyt gorący materiał sprzyja tworzeniu się zmarszczek),

-ograniczając powierzchnię formowania (stosunek wielkości formy do formowanego arkusza),

- użycie stempla.

Większość materiałów termoplastycznych wchłania promieniowanie IR. Oczywiste jest, że poziom absorpcji jest uzależniony od gabarytu materiału, a także długości fali promieniowania. Poziom absorpcji jest wyższy im materiał jest grubszy. Ważnym elementem są grzałki (promienniki), które promieniują prostopadle ale również wokół siebie. Należy zwracać uwagę, by grzałka w którejkolwiek strefie nie straciła mocy ponieważ oddziaływuje to na całą napromieniowaną strefę. Równomierne ogrzewanie można osiągnąć dzięki indywidualnemu wysterowaniu każdej grzałki jak i redukcji temperatury w środku pola.

Pokrywanie fluidyzacyjne jest procesem, w którym wstępnie podgrzane elementy metalowe są zanurzane w pojemniku wypełnionym przez fluidyzowany termoplastyczny bądź termoutwardzalny sproszkowany materiał powłokowy. Cząstki proszku kleją się do gorących powierzchni pokrywanego elementu i stapiając tworząc powłokę. W zależności od rodzaju użytego materiału i pojemności cieplnej pokrywanego elementu jest wymagane, bądź nie wygrzewanie uzyskanej powłoki.

Rys. 9 Schemat procesu powlekania fluidyzacyjnego

Konstrukcja urządzenia do powlekania fluidyzacyjnego jest bardzo prosta. W pojemniku zaopatrzonym w dno z wykonanej płyty porowatej znajduje się materiał powłokowy. Do komory znajdującej się pod płytą podawane jest sprężone powietrze. Przedostając się w górę powietrze powoduje fluidyzowanie proszku, tzn. utworzenie mieszaniny proszek powietrze o własnościach zbliżonej do wrzącej cieczy.

Rys.10 Poszczególne operacje pokrywania fluidyzacyjnego.

Mycie – operacja konieczna jako wstęp do nakładania jakichkolwiek powłok, np. dla usunięcia pozostałości po obróbce mechanicznej mogących zanieczyszczać kąpiele stosowane w następnych operacjach

Przygotowanie powierzchni – podobnie jak przy innych powłokach, umycie i odtłuszczenie powierzchni detali

Suszenie – tylko na suchych elementach możemy ocenić jakość wykonanego wcześniej chemicznego przygotowania powierzchni

Podgrzewanie – w zależności od wymagań materiału powłokowego waha się w granicach 120-260 oC. Podgrzewa się konwekcyjnie (najczęściej), promiennikowo, indukcyjnie.

Fluidyzacyjna aplikacja farby – cząstki proszku stapiają się na gorącej powierzchni pokrywanego elementu tworząc powłokę. Grubość powłoki waha się w granicach 0.25-1,25 mm.

Wygrzewanie – o ile pojemność cieplna pokrywanego elementu jest niewielka, termoplastyczne materiały powłokowe wymagają zwykle krótkiego czasu wygrzewania po aplikacji farby. Pozwala to na dobre rozlanie się i wygładzenie otrzymanej powłoki. W przypadku materiałów termoutwardzalnych wygrzewanie może być konieczne, kiedy energia cieplna zmagazynowana przez pokrywany element jest zbyt mała dla właściwego usieciowania powłoki.

Chłodzenie – w zależności od wymagań procesu może być wspomagane lub nie

Kontrola techniczna – oceniana jest jakość powłoki, ewentualne braki są zawracane do ponownego pokrycia

Do pokrywania fluidyzacyjnego są najczęściej wykorzystywane takie termoplastyczne materiały powłokowe jak polietylen, polipropylen, polichlorek winylu. Jakkolwiek w ograniczonym zakresie są stosowane również materiały termoutwardzalne. Tworzywa termoplastyczne są preferowane ze względu na możliwość nakładania grubszych i szczelniejszych powłok. Dużą zaletą pokrywania fluidyzacyjnego jest praktycznie 100% wykorzystania materiału powłokowego. W przypadku stosowania tworzyw termoutwardzalnych poważnym problemem jest sieciowanie proszku wewnątrz urządzenia w wyniku promieniowania cieplnego emitowanego przez pokrywane elementy. Materiały termoplastyczne są w tym przypadku mniej wrażliwe. W tabeli zostały zebrane przykładowe parametry procesu pokrywania fluidyzacyjnego dla najszerzej stosowanych materiałów powłokowych.

Tabela 1. Polimery stosowane do powlekania fluidyzacyjnego.

Produktem handlowym stosowanym do fluidyzacji są np. polietylenowe proszki ICORENE produkowane przez firmę Bromax.