Laboratorium technologii polimerów II

Sprawozdanie z części:

Łączenie tworzyw polimerowych

Prowadzący: dr inż. Wanda Meissner

1. Wstęp teoretyczny:

1.1 Prasowanie jest technologią przetwórstwa głównie z grupy duroplastów mających szczególne zastosowanie w wyrobach przemysłu elektrotechnicznego i przetwórstwie tworzyw zbrojonych włóknami ciągłymi i matami. Technologia ta polega na cyklicznym powtarzaniu następujących czynności:

• - wprowadzaniu tworzywa do gniazda formującego

• kohezyjnym łączeniu ziaren lub częściej jego uplastycznianie

• stapianie

• utwardzanie bądź zestalanie

• wyjęcie przedmiotu z gniazda (tzw. wypraskę)

Warunki przetwórstwa tłoczywa są określone przez rodzaj żywicy i napełniacza. Poza tym każdy typ tłoczywa posiada szereg cech zmiennych. Wpływają one na warunki prasowania i własności przetwórcze tłoczywa i są to: płynność tłoczywa, wilgotność, ciężar nasypowy.

Prasowanie dzielimy na:

Prasowanie tłoczne: jest to kształtowanie przedmiotów w formach, co najmniej dwudzielonych, w których matryca i stempel nadają przedmiotowi żądany kształt. Chłodne lub wstępnie ogrzane tworzywo, w postaci rozdrobnionej lub scalonej, umieszcza się w gnieździe formy, a następnie po ogrzaniu, co prowadzi do uplastycznienia tworzywa, doprowadza się je przez nacisk stempla do płynięcia, tak aby całkowicie wypełniło gniazdo formy. Po zestaleniu wypraski w podwyższonej (tworzywa termoutwardzalne) lub obniżonej temperaturze (tworzywa termoplastyczne) wypraskę usuwa się z formy i cykl formowania można rozpocząć ponownie. Metodą tą przetwarza się przede wszystkim tworzywa termoutwardzalne, rzadziej termoplastyczne.

Prasowanie przetłoczne- polega na tym, że niezbędną ilość tłoczywa, najczęściej wstępnie ogrzanego, umieszcza się w cylindrze, z którego, w postaci całkowicie uplastycznionej, zostaje przetłoczone przez jeden lub więcej kanałów do formy. W przetwórstwie tworzyw termoutwardzalnych formy są podgrzewane, w termoplastycznych - chłodzone. Stosuje się zwykle tłoczywo wstępnie stabletkowane.

Ważne jest również częste odpowietrzanie. Jest to operacja technologiczna prasowania stosowana w pewnych przypadkach dla poprawienia jakości wyprasek, polegającą na otwarciu formy po sprasowaniu wstępnym. Czas odpowietrzania jest różny i wynika z konstrukcji formy. Niekiedy odpowietrzanie należy powtórzyć kilkukrotnie. Odpowietrzenie jest zabiegiem mającym podobne cele co podgrzewanie wstępne i dające podobne korzyści.

1.2 Formowanie próżniowe polega na ogrzaniu tworzywa do stanu wysokiej elastyczności i nadaniu mu kształtu wyznaczonego formą za pomocą różnicy ciśnień, powstałej dzięki wytworzonej próżni między folią czy płytą a formą. Stosuje się również kształtowanie nagrzanej płyty czy folii za pomocą sprężonego powietrza lub też ruchomego stempla. Najczęstsze zastosowanie tej metody formowania to otrzymywanie wyrobów cienkościennych o dużej powierzchni z polistyrenu PS, kopolimeru ABS, twardego PVC, polimetakrylanu metylu PMMA, polietylenu PE, polipropylenu PP, celuloidu i octanów celulozy. Wyroby produkowane tą techniką to w przeważającej większości opakowania, w formie wszelkiego rodzaju pojemników otwartych, z reguły dzielonych w płaszczyźnie największego przekroju.

Wymienić można następujące zalety formowania próżniowego :

• możliwość wytwarzania wyrobów o bardzo małej grubości ścianek i o znacznych gabarytach

• niski koszt form, co zmniejsza ryzyko przy uruchamianiu nowej produkcji,

• możliwość stosowania form wielokrotnych, zwiększających wydajność produkcji,

• znaczna swoboda wyboru surowca do formowania.

Do wad tej technologii zaliczyć należy:

• wysokie ceny surowca - ceny płyt i folii są ok. 100% wyższe od cen granulatu,

• powstawanie znacznych odpadów poprodukcyjnych przy obcinaniu (okrawaniu), których nie da się bezpośrednio zagospodarować w tej technologii,

• nierównomierności w grubości ścianek wyrobu,

• pocienienia w narożach,

• brak możliwości wykonania w jednej operacji otworów oraz gwintów,

• konieczność wykonywania obróbki wykańczającej (obcinanie obrzeży, wiercenie otworów itp.).

Tworzywa stosowane do formowania próżniowego muszą spełniać następujące wymagania:

• posiadać szeroki zakres temperatur, w którym możliwe jest termoformowanie,

• umożliwiać uzyskanie odpowiedniej głębokości formowania: H/D (stosunek wysokości formowania do średnicy),

• powinny dobrze płynąć, dokładnie wypełniać zagłębienia i układać się na krawędziach formy,

• folie lub płyty powinny charakteryzować się jednorodnością materiału w całym przekroju (bez pęcherzy), wtrąceń, dziur, mieć lśniącą powierzchnię i stałą grubość,

• powinny ulegać pod wpływem ogrzewania całkowitemu i równomiernemu zmiękczeniu tak, aby można było formować wyroby przy nadciśnieniach lub różnicy ciśnień rzędu 1 bara (0,1 MPa),

• mieć odpowiednią wytrzymałość cieplną, aby powierzchnia folii nie ulegała uszkodzeniu termicznemu podczas nagrzewania,

• zachować kształt po formowaniu i wytrzymałość wynikającą z cech materiału wyjściowego.

Przykładowe temperatury stosowane podczas formowania próżniowego wynoszą:

• PVC twarde - 120-155 ^oC,

• polistyren - 120-150 ^oC,

• kopolimer ABS - 150-175 ^oC,

• polimetakrylan metylu 145-180 ^oC,

• poliwęglan - 230-245 ^oC.

Wyróżniamy następujące rodzaje formowania próżniowego:

• formowanie negatywowe (proste, z częściowym przytrzymywaniem, z mechanicznym rozciąganiem oraz metodą "Air cushion control"),

• formowanie pozytywowe (proste, z rozciąganiem mechanicznym lub powietrzno-mechanicznym oraz metodą "Snap-back"),

• oraz inne odmiany tego formowania (np. metodą z elastycznym workiem).

1.3 Fluidyzacyjne nanoszenie powłoki z tworzywa odbywa się w fluidyzatorze. Polega na wytworzeniu złoża fluidalnego ze sproszkowanego tworzywa i wprowadzeniu do niego przedmiotu nagrzanego powyżej temperatury topnienia tworzywa. Cząstki tworzywa topnieją stykając się z nagrzanym przedmiotem i tworzą na nim powłokę związaną adhezyjnie. Po wyjęciu z fluidyzatora przedmiot powtórnie nagrzewa się do temperatury topnienia tworzywa w celu wytworzenia jednorodnej powłoki. W celu zapewnienia jednorodnej powłoki o dobrej jakości przedmiot po wyprowadzeniu z fluidyzatora powtórnie nagrzewa się w podobnej komorze lub tunelu grzejnym do temperatury topnienia tworzywa. Na proces nanoszenia fluidyzacyjnego wpływają następujące ważniejsze czynniki:

a) właściwości przedmiotu: temperatura nagrzania, ciepło właściwe, współczynnik przewodzenia ciepła, gęstość, kształt i wymiary, stan warstwy wierzchniej, zwłaszcza powierzchni;

b) właściwości tworzywa: temperatura topnienia, ciepło właściwe, współczynnik przewodzenia ciepła, gęstość, kształt i wymiar cząstek;

c) właściwości dna porowatego: kształt i wymiary porów, równomierność rozmieszczenia porów, stan powierzchni porów;

d) właściwości gazu: gęstość, lepkość, prędkość przepływu, temperatura, wilgo­tność;

e) technika nanoszenia: czas przetrzymania przedmiotu w złożu, czyli czas na­noszenia, temperatura otoczenia, ruchy przedmiotu w złożu.

Większość tych czynników jest ustalona dla danego rodzaju materiału przedmiotu, sposobu przygotowania powierzchni i rodzaju użytego tworzywa, jak również rozwiązania konstrukcyjnego przedmiotu. Niektóre czynniki są zdeterminowane cechami konstrukcyjnymi fluidyzatora oraz urządzeń z nim współpracujących. Do parametrów nanoszenia zalicza się głównie: temperaturę przedmiotu w momencie wprowadzania do złoża, temperaturę gazu i czas nanoszenia.

2. Wyniki i obserwacje:

2.1 Talerzyki wytworzono na prasie PG-30 (prasa górnozaworowa o nacisku maksymalnym 30 ton) z teleskopowo-stykowo zamknięciem form przy temperaturze formy 155-160 °C z tworzywa fenolowo – formaldehydowego z napełniaczem w postaci mączki drzewnej koloru czarnego. Przed operacją prasowania wyznaczono gęstość pozorną tworzywa. Do umieszczonego na statywie naczynie nasypano pewną ilość tworzywa po czym podstawiono zważony odbieralnik 100cm³ po czym swobodnie wypuszczono tworzywo i ponownie zważono. Pomiar powtórzono trzykrotnie i obliczono średnią arytmetyczna z uzyskanych wyników.

Waga naczynia o pojemności 100cm³: 194,4g

Masa tworzywa	Gęstość pozorna
260,7g-194,4g=66,3g	d1 =0,663 g/cm^3
261,3g-194,4g=66,9g	d2 =0,669 g/cm^3
260,9g-194,4g=66,5g	d3 =0,665 g/cm^3
Średni wynik
66,6	0,666 g/cm^3

Tabela 1 Gęstość pozorna tworzywa

Do wyczyszczonej za pomocą sprężonego powietrza matrycy nasypano odpowiednią ilość tworzywa i rozpoczęto prasowanie wstępne (po 15 sekundach w nacisku 150kG/cm² podniesiono stempel w celu odgazowania wyrobu z produktów ubocznych) i właściwe (3 minuty, 310kG/cm²). Po prasowaniu talerzyk wyjęto z prasy, oszlifowano z ostrych końców i pozostawiono aby ostygł, następnie zmierzono średnicę w celu obliczenia skurczu prasowniczego. Wymiar matrycy w temperaturze 293K wynosił

Skurcz prasowniczy:

$$S_{p} = \frac{L_{f293K} - L_{w293K}}{L_{f293K}}*100\% = \frac{123,0 - 118,9}{123,0}*100\% = 3,3\%$$

L_f293K- wymiar liniowy gniazda formy w 293K

L_w293K-wymiar liniowy wyrobu w 293K

2.2 Laminaty – wycięto 4 razy identyczny kawałek z tkaniny bawełnianej z żywicą epoksydową, zmierzono wymiary, umieszczono razem, zmierzono wymiary (długość, szerokość, grubość), następnie ułożono w warstwy. Operacje powtórzono dla tkaniny szklanej z żywicą silikonową. Dla zadanych wartości ciśnienia i czasu obliczono odpowiednie warunki procesu – czas oraz ciśnienie. Temperatura procesu prasowania wynosiła 180 °C. Dla tkaniny bawełnianej proces następował przy ciśnieniu 500 kG/cm² i trwał 60s/mm, a dla bawełnianej przy 150 kG/cm² i trwał 90 s/mm.

Obliczenia dla tkaniny bawełnianej z żywicą epoksydową:

$$500\frac{\text{kG}}{\text{cm}2} - 100cm^{2}$$

x − 27, 03cm²

$$x = 135,15\frac{\text{kG}}{\text{cm}2}$$

Grubość: 1,7mm

$$1,7mm*90\frac{s}{\text{mm}} = 153s$$

Obliczenia dla tkaniny szklanej z żywicą silikonową:

$$150\frac{\text{kG}}{\text{cm}2} - 100cm^{2}$$

x − 22, 52cm²

$$x = 33,78\frac{\text{kG}}{\text{cm}2}$$

Grubość: 0,8mm

$$0,8mm*60\frac{s}{\text{mm}} = 48s$$

Tkanina	p [kG/cm^2]	t [s]
Tkanina bawełniana	34	48
Tkanina szklana	135	153

Tabela 2 Dane procesowe prasowania

Tworzywo bawełniane zgrało się w dobrym stopniu – nie rozwarstwiało się po procesie, natomiast szklane wyciekło w prasie oraz rozwarstwiło się. Prawdopodobnie tkanina szklana pochodziła z trefnej partii materiału.

2.3 Formowanie próżniowe - na stoliku umieszczono uszczelkę oraz metalową foremkę z małymi otworami, a następnie folię z tworzywa sztucznego. Całość dociążono i zaczęto równomiernie ogrzewać suszarką folię. Następnie wypompowano powietrze spod folii tworząc próżnię, co skutkowało zassaniem tworzywa i wytworzeniem wyrobu, który następnie przecięto i zmierzono suwmiarką grubość. Z początkowej grubości 0,5mm udało się wytworzyć produkt o grubości 0,4mm, 0,2mmm, a nawet 0,1mm.

2.4 Fluidyzacja - cztery metalowe płytki, których zmierzono grubość, ogrzano na stoliku do temperatury ok. , po czym kolejno umieszczano je w złożu fluidalnym ze sproszkowanego tworzywa. Grubość płytek przed i po operacji, wraz z czasami fluidyzacji zestawiono w tabeli:

Przed fluidyzacją	Po fluidyzacji
Grubość [mm]	Czas fluidyzacji [s]
2	10
3	8
17	9
15	7

Po zmierzeniu grubości po fluidyzacji sprawdzono każdą z płytek na metalowym stoliku dokładając do ich powierzchni bardzo wysokie napięcie i obserwując przeskakujące iskry, aby sprawdzić szczelność powłoki. Wszystkie płytki okazały się szczelne – nie zaobserwowano iskier (pojawiały się one na powierzchni metalowego podłoża oraz miejscu, gdzie płytka posiadała otwór na haczyk).

2.5 Wnioski:

Poznaliśmy wiele metod, które pozwalają na skuteczne łączenie tworzyw sztucznych. Wytwarzanie talerzyków prasowe jest metodą szybką, ale dość ograniczoną, gdyż pozwala tylko na jeden kształt, chyba że się dokupi nową formę. Poza tym wszelkie ubytki są łatwo widoczne i na pewno spora część produktów z produkcji należy do tzw. nieudanych partii. Prasowanie z wytworzeniem laminatów pozwala na zwarstwianie tkanin również szybko, ale pracochłonne jest wycinanie poszczególnych elementów (prawdopodobnie na produkcji zajmuje się tym maszyna, aby zaoszczędzić czas). Dodatkowo tutaj również wszelkie uszkodzenia są bardzo widoczne, gdyż niewidzialna gołym okiem niedoskonałość sprawiła, że materiał nam wyciekł i proces zwarstwiania nie zakończył się sukcesem. Formowanie próżniowe również jest szybkim procesem formowania, jednak należy uważać na temperaturę tworzywa: za niska, tworzywo nie podda się formowaniu, za wysoka: zostanie przerwane. Fluidyzacja wymaga z kolei precyzyjnie określonego czasu, gdyż gdy za krótko będziemy trzymać płytkę w złożu fluidalnym, nie pokryje się całkowicie. Za długo – będzie chropowata i nieatrakcyjna.