О литье пластмасс 

Сабсай О.Ю.

1. Назначение

     Установка предназначена для производства «преформ»- заготовок для получения полимерных ёмкостей (бутылок и банок) методом выдувного формования.
     Преформы производят методом литья под давлением. Сырьём для производства преформ служит полиэтилентерефталат (ПЭТФ - русское сокращение, РЕТ - английское сокращение).

2. Описание процесса

2.1. Краткое описание

     Процесс разделяется на две основные стадии:
      -подготовка ( сушка ) сырья,
       -литьё под давлением изделия- преформы.
     Общая схема процесса представлена на схеме 1. На эстакаде 8 установлен бункер 5 в который вакуумным загрузчиком 4 засасывается РЕТ из мешка. На этой же эстакаде 8 расположена система осушки и подачи в бункер воздуха 7, 6. Воздух, проходя через гранулы РЕТ, отбирает от сырья влагу. Сухой РЕТ попадает в литьевую машину 2 в которой он расплавляется и дозируется в пресс-форму 3 . В пресс-форме 3 изделие формуется и охлаждается до твёрдого формоустойчивого состояния. Преформы выгружаются из пресс-формы и цикл повторяется.
     В качестве дополнительных необходимых агрегатов установки используются холодильник 1 и компрессор (на схеме не показан).

Рис. 1. Общая схема процесса производства преформ

Увеличить изображение

     Почему требуется высокая надёжность оборудования.
     Всё оборудование должно работать круглосуточно, без остановок. Любой сбой в работе установки требует при повторном пуске 4- 5 холостых прогонов. При остановке более чем на 30 минут возникает опасность порчи всего сырья в бункере. Для сохранения сырья бункер остужают, Новый подогрев производится в течении не менее трёх часов.

2.2. Сырьё для производства преформ

     Полиэтилентерефталат - продукт поликонденсации терефталевой кислоты. РЕТ отличает высокая твёрдость наряду с хорошей ударной вязкостью, высокая размерная точность изделий, хорошая текучесть расплава. Полимер стоек против масел, жиров, спиртов, эфира, бензина, слабых кислот, слабых щёлочей. Нестоек против: бензола, сильных кислот и щёлочей, кетонов.(см. статью В.Г.Ракова, Н.М.Шапенкова, Е.А.Прудникова, О.Ю.Сабсай  Прогнозирование гарантийных сроков хранения технических жидкостей в ПЕТ-бутылках., «Пластические массы» №10, 1999г., стр. 18-20.) 
     РЕТ воспламеняется с трудом, Гаснет при удалении пламени.
     Для производства преформ, а следовательно и бутылок, применяют РЕТ специальных марок с повышенной молекулярной массой. Мерой последней является величина «характеристической вязкости» - intrinsic viscosity (IV), которая должна составлять 0.80 +\- 0.02.

2.3. Узел сушки и загрузки преформ

     Почему РЕТ необходимо тщательно высушивать.
     При синтезе и при термодеструкции полиэтилентерефталата выделяется крайне неблагоприятное в физиологическом отношении вещество - ацетальдегид. Это легко летучая жидкость с температурой кипения 20.8 град. С. с характерным запахом, напоминающим запах фруктов. При термодеструкции также резко падает молекулярная масса РЕТ (характеристическая вязкость), что значительно ухудшает эксплуатационные характеристики конечного изделия - бутылки. Катализатором термодеструкции является вода. Полиэтилентерефталат сушат для того, чтобы удалить из него влагу и ацетальдегид. При этом установлено, что для того, чтобы избежать нежелательных последствий, РЕТ следует высушивать до содержаний влаги менее 0.004% (вес.). Для этого применяются специальные сушильные и загрузочные устройства. 
(см. теорию вопроса в статье М.Б. Дубинский, В.М. Лактионов, О.Ю. Сабсай, А.И. Мжельский, М.Л. Фридман, Влияние температуры и влагосодержания на реологические свойства расплавов ПЭТФ. «Пластические массы» №3 1986г.,стр.20-22)
     Сырьё ( рис. 2  ) засасывается из мешка вакуумным загрузчиком ( 4 ). Загрузчик имеет собственное дозирующее устройство с помощью которого порционно РЕТ подаётся в бункер таким образом, чтобы бункер всегда был полностью заполнен сырьём. Сырьё перемещается в бункере сверху вниз так, чтобы время пребывания каждой порции  в бункере было не менее четырёх часов. Снизу в бункер через выходное сопло А (рис. 2. ) подаётся подогретый нагревателем Н воздух. Отобрав влагу от сырья, воздух через фильтр F и холодильник N попадает в адсорбер- осушитель Т и, затем снова в бункер. Адсорберов два. Когда один работает, другой регенерируется. На рис. 2. Заслонки М повёрнуты так, что рабочий, отбирающий влагу, адсорбер - Т1, а регенерируют- Т2. Для этого воздуходувкой G через фильтр F и подогреватель R подают в Т2 горячий атмосферный воздух, который затем выбрасывается через выходную трубу L. В рабочем контуре  (Т1) датчики непрерывно измеряют степень сухости воздуха- «точку росы». Превышение допустимого значения точки росы является сигналом того, что рабочий адсорбер пересыщен , заслонки М автоматически переключаются и роль адсорберов меняется.  

Рис. 2. Схема подготовки сырья при производстве PET-преформ

Увеличить изображение

2.4. Конструкции преформ (рис. 3 )
( см. также статью Сабсай О. Критерии качества преформ «Тара и упаковка»,№2,1999г., стр.32-33.)

     При производстве бутылок подогретую преформу сначала растягивают вдоль оси штоком, а затем раздувают в поперечном направлении высоким давлением. Для получения качественной (оптимальной) бутылки необходимо выдержать строгое соотношение между величинами степеней растяжения вдоль оси преформы и поперёк оси. В зависимости от назначения бутылки варьируется средняя толщина её стенки, а, следовательно, и толщина стенки преформы. Наконец, существуют стандарты на горлышко преформ - самый известный и общепринятый - ВРF 28. Ясно, что в зависимости от объёма бутылки, преформы должны иметь различную массу.

Рис. 3. Эскиз преформы

Увеличить изображение

2.5. Пресс-форма

     Пресс-форма (рис. 4) устанавливается на направляющие литьевой машины 1, 2 и состоит из подвижной и неподвижной плит 3, 6. На подвижной плите смонтированы формообразующие внешней части преформы до сечения «С» на рис.3 и внутренние части полости в которую затекает полимер при производстве преформы - пуансоны 4. Матрица 5 смонтирована на неподвижной плите 6 и содержит формообразующие внешней части преформы, которые составлены из двух частей- для формования участков от «С» до «Д» и от «Д» до конца сферической части преформы- рис .3. Литник через который происходит впрыск расплава РЕТ расположен в конце цилиндрической части преформы вдоль оси симметрии. Когда пресс-форма находится в сомкнутом состоянии, её подвижная и неподвижная плиты плотно прижимаются друг к другу, образуя замкнутую полость, соответствующую конфигурации преформы, в которую через литник и происходит заливка расплава РЕТ. После этого изделие в пресс-форме охлаждается, пресс-форма открывается, преформы выталкиваются специальными толкателями, половинки пресс-формы снова сдвигаются и процесс повторяется.

Рис. 4. Общая схема процесса производства преформ
1 - нижняя направляющая, 2 - верхняя направляющая, 3 - подвижная плита, 4 - пуансон, 5 - матрица, 6 - неподвижная плита

Увеличить изображение

Рис. 5. Горячий канал
1 - преформа, 2 - пуансон, 3 - матрица, 4 - игла, 5 - расплав полимера, 6 - нагреватель, 7 - корпус

Увеличить изображение

     Зачем нужны горячие каналы.
     а ) Лимитирующей скорость процесса стадией является время охлаждения изделия. В негорячеканальных пресс-формах необходимо охлаждать ещё и литники, масса которых близка к массе преформ. Это приводит к значительному увеличению времени охлаждения т. е. к уменьшению производительности .
     б ) Из вторичного полиэтилентерефталата нельзя получить качественную преформу, поэтому дроблённые литники можно было бы добавлять в первичное сырьё в количествах не более 10% ( вес. ), что соответствовало бы потере 40% дорогостоящего сырья.
     В комплект поставки пресс-формы входит система управления температурой в горячих каналах. Предусмотрено управление каждым каналом в отдельности.
     Почему следует регулировать температуру в каждом горячем канале в отдельности.
     Невозможно выполнить все формующие инструменты строго одинаковыми. Между гнёздами, в рамках допустимой размерной точности, всё равно будет некоторая разница. Разница будет и в температурных полях охлаждения. Поэтому, кроме общих требований к качеству преформ, существуют международные стандарты допустимого разброса качества преформ, полученных в разных гнёздах одной и той же пресс-формы. Только выполнение этих требований гарантирует стабильное получение высококачественных бутылок при выдуве. Регулировка температуры в каждом горячем канале в отдельности является мощным средством корректировки качества преформы индивидуально в каждом гнезде.  

2.6. Литьевая машина

     Собственно машина и её программное обеспечение должны быть модифицированы применительно к производству РЕТ- преформ. Предусмотрена система управления пневмоавтоматическими устройствами перемещения игл в горячих каналах.

2.7 Холодильник

     Охлаждают масло в гидросистеме литьевой машины, воздух перед адсорбером в системе подготовки сырья, и, самое главное, пресс-форму. Полиэтилентерефталат- кристаллизующийся полимер. Преформу при её производстве следует охлаждать быстро, так, чтобы РЕТ не успел закристаллизоваться и затвердел- перешёл в стеклообразное состояние- сохранив аморфную, некристаллическую структуру, которую он имел в расплавленном состоянии. С точки зрения физика, стекло- та же жидкость, только величина его вязкости столь огромна, что и за сотни лет не удаётся заметить деформаций стеклообразных сред под действием напряжений. С ростом температуры вязкость сильно падает, настолько, что полимер приобретает способность деформироваться за разумные промежутки времени.. На этом и основан способ получения бутылок из преформ - достаточно разогреть преформу до температуры порядка ста градусов, чтобы за секунды из неё можно было выдуть бутылку.
     Но в расплавленном состоянии величина вязкости РЕТ очень низкая - подвижность очень велика и полимер может успеть частично перейти в термодинамически более выгодное- кристаллическое состояние. Визуально это видно по побелению отдельных участков преформы, особенно в области конца сферической части, у литника. Температура плавления кристаллов РЕТ около 250 град. С. и при температуре производства бутылок кристаллические участки преформ деформироваться - формоваться в бутылку не могут.
     В проекте должен быть предусмотрен в составе оборудования мощный холодильник, так, чтобы охлаждение пресс-формы было максимально интенсивным. и величина кристалличности в изделии минимальной. Полностью избежать нежелательной кристаллизации нельзя. Поэтому существуют международные стандарты, регламентирующие допустимую величину степени кристалличности в преформе.

2.8. Компрессор

     Иглы в горячих каналах литьевой формы перемещаются с помощью встроенных в неподвижную плиту пневмоцилиндров. Сжатый воздух в систему перемещения игл поступает от предусмотренного в составе оборудования небольшого компрессора.

Перепечатка допускается только 
с разрешения автора  

 (С) Сабсай Отто Юльевич, 2002-2010