Plasty

12 . SPRACOVANIE P L A S T O V Rôzne druhy plastov sa spracúvajú rovnakými postupmi a často aj na rovnakých zariadeniach len s malými odchýlkami technologických parametrov. Tento fakt umožňuje zovšeobecniť poznatky o jednotlivých technologických postupov spracovania plastov pre rôzne skupiny plastov. Technológie spracovania plastov možno rozdeliť nasledovne: • technológie prípravy a úpravy materiálov, • technológie spracovania s využitím tlaku a teploty, • technológie bez použitia priameho tlaku, • obrábanie, spájanie a dodatočná úprava. Medzi operácie prípravy plastov sa zahrňuje miešanie, hnetenie, granulácia, resp. tabletovanie. Väčšina plastov musí byť zmiešaná s prísadami (napr. zmäkčovadlami, stabilizátormi, plnivami a pod.). Intenzívne miešanie sa vykonáva v miešacích dvojvalcoch, ktoré sa označuje ako plastifikácia (prevedenie makromolekulárnej látky pôsobením tepla do plastického stavu pričom sú do látky zamiešané prísady). Pri extenzívnom miešaní práškových polymérov s pigmentmi v pásovej alebo bubnovej miešačke (v tomto prípade stupeň homogenity závisí na stupni toku alebo vytváraní nového povrchu). Konečným stupňom prípravy väčšiny polyméru je granulácia. Granuly je možné presne dávkovať do spracovateľských strojoch. Pri spracovaní niektorých plastov ( hlavne reaktoplastov) je výhodné, aby pôvodná surovina dodávaná vo forme práškov bola lisovaná do pevnej konzistentnej formy - tablety. Pri spracovaní plastov vzniká odpad, ktorý sa musí rozdrviť a rozmlieť tak, aby ho bolo možné ďalej spracovať. Spracovanie odpadov z plastov sa dnes stáva nie len ekonomickým ale i ekologickým problémom. Medzi technológie spracovania plastov s využitím tlaku a teploty patrí: a) vytlačovanie b) lisovanie - priame, - nepriame, - vstrekovanie,

c) tvarovanie - mechanické, - vákuové, - vyfukovanie. 12.1 Priame lisovanie Týmto spôsobom je možné spracovať termosety a termoplasty. Materiál sa dodáva spravidla vo forme práškov, tabliet alebo granúl. Rozdiel medzi priamym lisovaním termosetov a termoplastov spočíva v tepelnom režime. Pri priamom lisovaní termoplastov je potrebné formu najprv vyhriať a po vylisovaní zasa ochladiť, aby si výlisok zachoval získaný tvar. Tým sa podstatne proces predlžuje, lebo pre ďalší výlisok je potrebné formu opäť ohriať. Chladenie musí prebiehať pomaly, aby vzhľadom na tepelnú rozťažnosť materiálu nevznikli vo výlisku trhliny alebo bubliny. Z toho dôvodu sa táto metóda používa len zriedka pri spracovaní termoplastov.

Obr. 12.1 Priame lisovanie plastov Technologický postup pri priamom lisovaní (obr. 12.1) pozostáva zo štyroch fáz: 1. Plnenie formy. Správne plnenie formy je dôležité, pretože preplnená forma zapríčiňuje zbytočne veľké straty materiálu. Pri nedostatočnom plnení formy vznikajú chyby vo výliskoch, vzhľadom na zmrašťovanie materiálu, ktoré býva podľa druhu materiálu a veľkosti výlisku 0,15 až 1,1 %. Presné množstvo hmoty sa spravidla určuje

experimentálne. Pri mnohonásobných formách sa požívajú plniace prípravky, aby operácia plnenia bola čo najkratšia. 2. Uzavretie formy a samotné lisovanie. Spočiatku sa pri nižšom tlaku odvádza vzduch, plyny a pary. To sa uskutočňuje krátkym otvorením formy v okamihu, keď už je materiál roztavený. Ak sa odvzdušňuje v čase tvrdnutia, nastávajú deštrukcie výlisku. Po odvzdušnení sa forma znova uzavrie a tlak sa zvyšuje až na konečnú hodnotu. Potrebný tlak sa dosahuje v dvoch časových intervaloch. V počiatočnom štádiu, materiál ešte nie je prehratý, tlak činí najviac 1/5 konečného tlaku. V tab. 12.1 sú uvedené hodnoty tlakov pre jednotlivé lisovacie hmoty. Tab.12.1 Hodnoty lisovacích tlakov Výška výlisku [mm] fenoplasty hrubé práškové, aminoplasty zrnité do 20 15 20 – 40 20 40 – 60 25 60 – 80 29,5 80 – 100 34 100 – 130 40 130 – 160 46 160 – 190 52 190 – 200 58

Lisovacie tlaky fenoplasty vláknité, aminoplasty pudrovité 20 28 36 42 48 57 65 73 81

Fenoplasty s kusovým plnivom 23 32 40 47 54 63 72 81 90

Lisovacia sila sa vypočíta: F = 1,2 . S . p . n,

[N]

(12.1)

kde S je priemer plochy lisovníka, p – lisovací tlak, n – násobnosť formy. Lisovacie prášky sa používajú najčastejšie predhriate, aby sa eliminoval nepriaznivý vplyv nízkej tepelnej vodivosti plastických hmôt na priebeh ich spracovania teplom a tlakom. Rýchlou plastizáciou predhriatej hmoty sa zlepšujú mechanické a elektrické vlastnosti hotových výliskov a skracuje sa cyklus lisovania. Lisovacia teplota sa dosahuje a udržuje vysokofrekvenčným ohrevom. Potrebný výkon vysokofrekvenčného generátora sa vypočíta

P=

4.m , [kW] t.10 3

(12.2)

kde m je hmotnosť hmoty v gramoch, t - čas predhrevu v minútach. Predohrev hmoty na teplotu 80 - 120 °C trvá niekoľko desiatok sekúnd. Teplota lisovania má dve funkcie. Jej pôsobením hmota mäkne a prejde do plastického stavu. Súčasne vysoká teplota vyvolá v pryskyrici chemickú reakciu, ktorá spôsobuje stvrdnutie hmoty. Rozmedzie teplôt pre jednotlivé druhy lisovacích hmôt je uvedené v tab.12.2. Doba vytvrdzovania je závislá od lisovacej teploty, predohrevu hmoty a jej tvrditeľnosti (obr.12.2). Tab.12.2 Rozmedzie lisovacích teplôt Druh hmoty Minimálna a maximálna lisovacia teplota C o Fenolové 150-175 Močovinové 140-155 Melaminové 135-160 Anilinové 150-160

[ ]

3. Otvorenie formy a vyňatie výlisku. Pri lisovaní termosetov sa to robí pri lisovacej teplote.

Konečné

vlastnosti

výlisok

dosiahne až po vychladnutí. Výlisky z formy sú vyhadzované mechanickým alebo hydraulickým vyhadzovačom.

Doba trvrdnutia [s]

480

4 . Čistenie formy. Forma sa čistí 390

ručne alebo pomocou prípravkov

300

prípadne stlačeného vzduchu.

210

Rozdiel medzi priamym a 120

nepriamym lisovaním spočíva v tom, 30 0

5

10

15

Hrúbka steny výlisku [mm] 1

3

2

že materiál sa taví v tavnej komore, ktorá je súčasťou lisovacej formy. Z tavnej komory tlakom piesta sa

Obr. 12.2 Doba vytvrdzovania v závislosti od lisovacej teploty

tavenina premiestni do dutiny formy.

1-fenoplasty novolakové, 2-fenoplasty rezolové, 3aminoplasty

pri priamom lisovaní. Pri tomto

Ďalší proces prebieha rovnako ako spôsobe sa používajú lisy s jedným

piestom a formy bývajú viacnásobné. Technológia nepriameho lisovania má nasledujúce výhody:

a)

Hmota vchádza do dutiny formy rovnomerne prehriata a tým sa skracuje čas

vytvrdzovania. Pri nepriamom lisovaní sa roztavená lisovacia hmota rovnomerne prehreje a súčasne vytvrdne, bez ohľadu na prípadné rôzne hrúbky výlisku. Pri predhriati plyny a pary ľahšie odchádzajú z dutiny formy. b) Sprecizovaním procesu vytvrdzovania sa získavajú kvalitnejšie výlisky so zlepšenými elektroizolačnýmí vlastnosťami. c) Prelisy sú pri nepriamom lisovaní menej namáhané ako pri priamom lisovaní. d) Pri nepriamom lisovaní má forma jednoduchšiu konštrukciu. Dutina sa uzatvára prázdna, preto opotrebovanie foriem je menšie. e) Nevznikajú pretoky, ktoré je potrebné nákladne odstraňovať. 12.2 Vstrekovanie Vstrekovanie je spôsob tvárnenia plastických hmôt, pri ktorom sa dávka spracúvaného materiálu vstrekuje do dutiny formy. Tlaková komora býva súčasťou vstrekovacieho stroja a materiálu sa do nej plynulé dopĺňa. Tento spôsob tvárnenia sa používa prevažne pri spracovaní termoplastov. V poslednom období boli vyvinuté viaceré typy strojov na vstrekovanie termosetov.

Obr. 12.3 Schém vstrekovania plastov 1-vstrekovací piest, 2-taviaca komora, 3-zásobník, 4-lisovacia hmota, 5-rozvadzací kužeľ, 6-vstrekovacia forma, 7-výlisok, 8-uzatvárací piest

Tento proces je v podstate rovnaký ako pri nepriamom lisovaní (obr.12.3). Keď hmota pri ohreve dosiahne maximálnu tekutosť nasleduje vstrekovanie. Po vstreknutí tavenina zaplní dutinu formu a vplyvom chladenia formy stuhne. Teplotu formy nie je možné neobmedzene znižovať, pretože pri nízkej teplote je potrebný podstatne vyšší vstrekovací a uzatvárací tlak a na druhej strane zvyšovanie teploty je obmedzené trvaním fázy vstrekovania a tepelnou stabilitou materiálu. Termoplasty majú pomerne vysoký koeficient tepelnej rozťažnosti, čím vzniká v tavenine určitý vnútorný tlak, ktorý pôsobí proti tlaku piesta. Vstrekovací tlak (tab.12.3) je závislý na teplote a druhu vstrekovacieho materiálu. Vstrekovací tlak je možné zvýšiť zvýšením teploty taveniny, použitím polyméru s nízkou relatívnou molekulovou hmotnosťou alebo zmenou rozmerov vstrekovacej hubice a vtokového kanálu. Tab. 12.3 Podmienky vstrekovania Vstrekovacia hmota Vstrekovacia teplota [ o C] Lineárny polyetylén Rozvetvený polyetylén Polypropylén Polyamid Polystyrén Polyformaldehyd Deriváty celulózy Polymetylmatakrylát Polyvinylchlorid Polykarbonát

Vstrekovací tlak [MPa]

Teplota formy [ o C]

180-200 200-300

od 30 60-120

40-60 50-70

Doba chladnutia [1mm hrúb./min] 3 3

180-300 200-280 190-240 200-225 170-250 170-260 150-200 290-330

50-160 20-90 od 30 85-130 od 40 65-140 100-150 od 80

40-90 40-70 30-55 65-120 40-60 40-55 35-45 80-90

3 5 3 10 5 7 7 7

Vtok môže byť: - bodový s priemerom 0,5 mm, - bodový s predkomôrkou, predkomôrka udržuje taveninu stále v stave vhodnom pre vstrekovanie, - normálny s priemerom 3 až 5 mm (vyžaduje najnižšie vstrekovacie tlaky). Bodový vtok je veľmi výhodný, pretože je možné znížiť teplotu v tavnej komore až o 40°C a tým sa znížia náklady na odstraňovanie vtokového zvyšku.

Mechanické vlastnosti výrobku zhotoveného vstrekovaním veľmi ovplyvňuje vstrekovacia teplota. Vyššia teplota vstrekovania pôsobí priaznivo na mechanické vlastnosti, ale je obmedzená tepelnou stabilitou materiálu a časom chladnutia výlisku vo forme. Pri použití vstrekovacích lisov s predplastifikáciou sa materiál dostáva do plastického stavu v prídavnom vytlačovacom zariadení so šnekom (závitovkou). Šnekom je tavenina dodáva do tavnej komory, z ktorej sa tlakom piesta vstrekne do dutiny formy. Tým sa cyklus na jeden výlisok skráti približne o čas potrebný na prevedenie vstrekovacieho materiálu na taveninu pri klasickom spôsobe vstrekovania. Produktivita týchto strojov najmä pri viacnásobných formách je niekoľko tisíc výliskov za zmenu. Vstrekovacia sila sa vypočíta: F = S. p ,

[ N]

(12.3)

kde S je plocha tlakovej komory, p - vstrekovací tlak. Uzatváracia sila sa vypočíta: Fu = (1,1 ÷ 1,2). p.S v ,

(12.4)

kde S v je plocha všetkých výliskov včítane privadzacích a rozvádzacích kanálov. Sila potrebná na otvorenie formy FO = S v . p f ,

(12.5)

Tlak p f vo forme sa volí pre materiály s nižšou viskozitou 20 MPa a pre materiály s väčšou viskozitou až 450 MPa. Pri použití lisov, ktoré majú uzatvárací a tlakový valec na spoločnej osi (ich piesty pôsobia proti sebe), musí byť otváracia sila menšia, než uzatváracia sila vstrekovacieho lisu. Celkový čas vstrekovacieho cyklu je: t c = t p + t ch + t v + t u

(12.6)

Dobu plnenia formy je možné vypočítať: tp =

V , S .v

(12.7)

kde V je maximálny objem vstreku, S - plocha vstrekovacieho piesta, v - rýchlosť pohybu piesta. Čas potrebný na vychladnutie t ch je závislý od intenzity ochladzovania formy a je možné ho určiť z tab.12.3 alebo z diagramu obr. 12.4. Čas

potrebný

na

vyhodenie výlisku t v závisí od

konštrukcie

stroja

a formy. Čas

potrebný

na

uzatvorenie formy t u závisí od

pohyblivých

časti

mechanizmov stroja. Doba Obr.12.4 Závislosť chladnutia na hrúbke steny výlisku

v tavnom

pobytu

hmoty

valci

t k slúži

k porovnaniu,

či

kapacita

stroja nie je väčšia ako celková doba cyklu t c . V opačnom prípade môže dôjsť k tepelnému znehodnoteniu polyméru.

tk =

m.I .t c , (m x + m1 ).10

[min.]

(12.8)

kde m je hmotnosť hmoty maximálneho vstreknutia (v gramoch), I - súčiniteľ zásoby (počet vstrekov s maximálnou hmotnosťou) ,

m1 - hmotnosť vstreknutej hmoty je závislá od tvaru výlisku, t - doba cyklu, m x - hmotnostná. prirážka na vtokový zbytok v % (tab.12.4). Dobu pobytu hmoty v tavnom valci je potrebné porovnať s diagramom na obr. 12.5. Výlisky vyrobené za podmienok nad čiarkovanou čiarou môžu vplyvom tepla zožltnúť a výlisky vyrobené za podmienok nad plnou čiarou budú nekvalitné.

Kontrola lisu sa prevádza s prihliadnutím na výrobnú schopnosť jeho taviacej komory a doby pracovného cyklu t C . Požadovaná plastifikačná kapacita lisu C sa vypočíta: C=

60 .n( m1 + m x ) [g.min] t

(12.9)

Pomocou uvedeného vzťahu možno vypočítať násobnosť formy – n, ktorá sa určí tak, aby maximálna vstrekovacia kapacita lisu na jeden zdvih bola využitá na 70 ÷ 90 %.

Obr. 12.5 Doba pobytu taveniny vo valci

Tab. 12.4 Hmotnostná prirážka Hmotnosť 0,5 výlisku [g] Prirážka [%]

60 ÷ 100

5÷1

1÷3

3÷5

5 ÷ 10

10 ÷ 20

50 ÷ 70

40 ÷ 50

30 ÷ 40

25 ÷ 30

15 ÷ 25