LABORATORIUM TECHNOLOGII POLIMERÓW I
PRZETWÓRSTWO POLIMERÓW
13.03.2015
20.03.2015
Wstęp
Podstawową operacją przygotowującą polimery do formowania jest mieszanie, które pozwala na wprowadzenie dodatków modyfikujących (np. plastyfikatorów, barwników, pigmentów, napełniaczy lub stabilizatorów) oraz uzyskanie jednolitej masy. Wyróżnia się mieszanie w stanie: sypkim, płynnym oraz w stanie uplastycznionym. Mieszalniki do substratów sypkich charakteryzują się osią obrotu niepokrywającą się z osią symetrii mieszalnika; przykładami są mieszalniki bębnowe i ślimakowe oraz szybkoobrotowe mieszalniki obrotowe. Przykładem mieszania w stanie ciekłym jest przykładowo wytwarzanie past i modeliny w wolnoobrotowym mieszalniku „zetowym” zaopatrzonym w płaszcz grzejno-chłodzący. Mieszanie w stanie uplastycznionym może zostać wykonane na dwuwalcarce zbudowanej z dwóch ogrzewanych walców o różnej średnicy. Wirują one z różną prędkością w przeciwnych kierunkach i powstaje wtedy „skóra” – cienka warstwa tworzywa, na której może zostać wytłoczony wzór.
Najczęściej stosowaną metodą mieszania w stanie uplastycznionym jest ciągłe i bezciśnieniowe wytłaczanie, podczas którego w ogrzewanym cylindrze następuje stopienie surowca oraz jego intensywne wymieszanie za pomocą ślimaka. Wytłaczarka jest zbudowana dodatkowo z głowicy, która nadaje kształt wytłoczynie opuszczającej cylinder. Wyróżnia się następujące typy wytłaczania:
Standardowe – do wytwarzania płyt, rur itp.,
Z rozdmuchem – do otrzymywania folii i butelek,
Powlekające – do pokrywania np. przewodów elektrycznych izolacją.
Wtrysk jest procesem okresowym i ciśnieniowym. Wtryskarka powinna uplastycznić tworzywo, wprowadzić je pod ciśnieniem do formy, a następnie ułatwić usunięcie zestalonego wyrobu. Ze względu na budowę układu uplastyczniającego wtrysk można podzielić na ślimakowy (następuje wymieszanie) oraz tłokowy (bez mieszania i homogenizacji tworzywa). Tą metodą otrzymywane mogą być detale o skomplikowanych kształtach.
Raz przetworzone tworzywa mogą zostać ponownie przetworzone. Przykładem może być przetworzenie odpadów z wtrysku, którego pierwszym etapem jest ujednolicenie wymiarów surowca poprzez zmielenie go w młynach: udarowych (jeśli tworzywo jest twarde i kruche), skrawających (jeśli tworzywo jest elastyczne) lub udarowo-skrawających. Po wymieszaniu przemiał może być wykorzystany jako wsad na wytłaczarkę lub wtryskarkę.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami przetwarzania polimerów, homogenizacji i wytwarzania przedmiotów o określonych kształtach metodami wytłaczania i wtrysku.
Przebieg ćwiczenia
Mielenie w młynku nożowym
Surowcem były różnobarwne odpady z polietylenu – kanały dopływowe powstałe w procesie wtryskiwania. Młynek zbudowany jest z komory zasypowej, noży stałych i ruchomych oraz magnesów, które mają za zadanie wychwycić kawałki metali z wsadu.
Kształt surowca ma wpływ na przemiał, który jest niejednorodny - zawiera kawałki tworzywa o różnych kolorach i wielkościach.
Mieszanie w mieszalniku bębnowym
Uzyskany przemiał umieszczono w bębnie w celu wymieszania.
Skuteczne mieszanie zachodzi przy odpowiedniej ilości mieszanki w bębnie – jeśli będzie jej za dużo, mieszanie nie będzie efektywne. Prędkość obrotu mieszalnika nie może być zbyt duża. Skuteczniejsze mieszanie nastąpiłoby, gdyby bęben został zamocowany ukośnie, np. gdyby przekątna bębna byłaby osią obrotu.
Wytłaczanie żyłki na wytłaczarce ślimakowej T-45
Surowcem był uzyskany w poprzednich operacjach wymieszany, różnobarwny przemiał, którym napełniono komorę zasypową. Prędkość obrotów ślimaka wyniosła $50\ \frac{\text{obr}}{\min}$, a średnica . Temperatury: 180 (za komorą zasypową)190, 195, 205 (na cylindrze). Na głowicy były dwie strefy o temperaturach 215.
Produktem jest żyłka o jednorodnym, bordowo-brązowym kolorze, która zostaje schłodzona w kąpieli wodnej i następnie pocięta na około półcentymetrowe kawałki.
Suche mieszanie na dwuwalcarce
Odważono poniższe składniki:
Suspensyjny polichlorek winylu - PVC-S-67 – 700g
Ftalan dwubutylu – 90g
Stabilizator terminiczny OTGO – 2g
Wszystkie składniki umieszczono w bębnie mieszalnika szybkoobrotowego na 5 minut przy $1650\ \frac{\text{obr}}{\min}$. Po wymieszaniu suchą mieszankę umieszczono na dwuwalcarce.
Parametry walców: $160\ i\ 17\frac{\text{obr}}{\min}\ $oraz $170\ i\ 10\frac{\text{obr}}{\min}$. Mieszanina kilkukrotnie przeszła między walcami, a gdy utworzyła na ich powierzchni powłokę, dodano kawałek zabarwionego na czerwono, nieprzeźroczystego tworzywa. Po dalszym walcowaniu otrzymano skórę o jednorodnym, blady, czerwonym zabarwieniu. Na jednej z powierzchni wytłoczony został wzór imitujący układ skóry.
Mokre mieszanie w mieszalniku zetowym
Odważono poniższe składniki:
Perełkowy polichlorek winylu – 350g
Dwuoktylu ftalan 80g
Substraty umieszczono w mieszalniku zetowym, gdzie dodano do mieszaniny niewielka ilość niebieskiego pigmentu w ftalanie dwuoktylu. Mieszanie prowadzono przez ok. 11 minut, tj. do czasu, w którym osiągnięto jednolitą masę.
Wytłaczanie z rozdmuchem
Porcję polietylenu (przeźroczyste granulki) umieszczono w komorze zasypowej wytłaczarki kątowej T32, o średnicy Φ32. Wokół głowicy zamontowany jest pierścień chłodzący, którym można regulować strumień powietrza rozdmuchującego rękaw. Po pojawieniu się folii poza głowicą zostaje ona przeciągnięta w górę, na prasę hydrauliczną, a następnie złożona folia nawijana jest na walec.
Parametry procesu: obroty ślimaka ($25\frac{\text{obr}}{\min}$), cylinder: 150, 180, 195, głowica 205
Wytłaczanie rurek
W komorze zasypowej wytłaczarki T-401 umieszczono polietylen z niewielkim dodatkiem żółtych kulek barwnika. Z głowicy wytłoczono rurkę, którą schłodzono w kąpieli wodnej - produktem jest cienkościenna słomka o jednolitym, żółtym kolorze. Parametry procesu: obroty ślimaka ($15\frac{\text{obr}}{\min}$), cylinder: 170, 180, głowica 175.
Wtryskarka ręczna, tłokowa i pionowa
W leju zasypowym umieszczono granulki polietylenu z różnokolorowymi koncentratami barwiącymi. Po dopasowaniu formy do głowicy, za pomocą ruchu dźwigni w dół, zaaplikowano stopione w 180 tworzywo do formy. Przez kilka sekund dociskano formę, a następnie usuwano uzyskana opaskę zaciskową i powtarzano proces. Otrzymana opaska zawierała wielokolorowe smugi – materiał został stopiony, ale nie wymieszany, a kanały dopływowe musiały zostać ręcznie usunięte.
Wytwarzanie spirali Archimedesa we wtryskarce ślimakowej
Zielony regranulat polipropylenu umieszczono w leju zasypowym wtryskarki ślimakowej o średnicy ślimaka 40 mm. W układzie znajdują się 4 strefy grzejne o temperaturach 160, 185, 195 i 215. Na końcu cylindra znajduje się dysza samozamykająca, prosta, o zakończeniu kulistym. Ślimak zaopatrzony jest w pierścień zapobiegający cofaniu się uplastycznionego tworzywa. Produktami były spirale Archimedesa o wielkościach zależnych od ciśnienia wtrysku.
$$Cisnienie\ hydrauliczne\ \lbrack\frac{\text{kG}}{\text{cm}^{2}}\rbrack$$ |
$$Cisnienie\ wtrysku\ \lbrack\frac{\text{kG}}{\text{cm}^{2}\rbrack}$$ |
Masa spirali [g] |
|---|---|---|
130 |
1000 |
32 |
125 |
950 |
31 |
120 |
900 |
30 |
110 |
850 |
28 |
105 |
800 |
31 |
95 |
700 |
28 |
90 |
695 |
23 |
85 |
650 |
24 |
80 |
600 |
21 |
75 |
550 |
20 |
65 |
500 |
17 |
60 |
475 |
17 |
55 |
450 |
15 |
50 |
400 |
14 |
Masa uzyskanej spirali jest wprost proporcjonalna do ciśnienia wtrysku.
Wnioski
Odpady polimerowe mogą zostać poddane recyklingowi prostemu – przykładowo zmielone w młynach nożowych materiały mogą zostać ponownie wykorzystane w procesach przetwórstwa.
Mieszanie jest ważna operacją jednostkową, która pozwala na otrzymanie produktu o jednorodnym kolorze i takich samych właściwościach w całej objętości. Jednak otrzymanie takiego tworzywa wymaga zastosowania modyfikatorów przetwarzania (smarów, plastyfikatorów) i innych dodatków (pigmentów, barwników).
Walcowanie na dwuwalcarce jest procesem umożliwiającym nie tylko otrzymywanie „skóry”, ale również jest metodą efektywnego mieszania.
Również podczas wytłaczania zachodzi proces mieszania – z różnokolorowego wsadu można otrzymać produkt o jednolitym kolorze. Zależnie od kształtu głowicy można otrzymać rożne wytłoczyny – sznury, rurki, butelki lub folie. Do otrzymywania produktów o bardziej skomplikowanych kształtach stosuje się wtrysk. Jeśli wtryskarka jest tłokowa, masa nie zostaje wymieszana, a jeśli zastosuje się ślimak, uzyskuje się produkt o jednolitej barwie. Ważnym parametrem przy wtrysku jest ciśnienie wtrysku, od którego zależy masa produktu, a więc wypełnienie formy uplastycznionym polimerem.