IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

В течение последних лет в нашей стране достигнуты большие успехи в области получения пенопластов. Ведущую роль в промышленном выпуске эластичных вспененных материалов занимаю пенопласты на основе полиуретана и поливинилхлорида. Однако эластичные пенополиуретан и пенополивинилхлорид, обладая ценными техническими свойствами, имеют ряд следующих недостатков, которые ограничивают их использование для многих специальных целей:

а) токсичность исходных продуктов и токсичность при горении;

б) узкий интервал рабочих температур и наличие усадки при нормальных условиях для поливинилхлорида;

в) недостаточная прочность пенополиуретана и нестойкость его к атмосферным воздействиям и гидролизу.

При решении различных технических задач и разработки новых изделий возникла необходимость в пеноматериалах с более высокими эксплуатационными свойствами.

Анализ литературных источников, касающихся сведений относительно практической пригодности и ценности пенопластов, позволил придти к выводу, что наиболее целесообразно в качестве полимерной основы использовать полиэтилен низкой плотности. В связи с отсутствием промышленного производства пенополиэтилена с низкой кажущей плотностью и с целью удовлетворения растущих потребностей в ряде отраслей народного хозяйства была поставлена задача разработки и организации производства этого материала.

Несмотря на практическое использование пенополиэтилена за рубежом ряд вопросов, связанных с процессом вспенивания, остается недостаточно выясненным. Экспериментальный материал по выбору необходимых компонентов полиэтиленовой композиции очень ограничен и не выходит за рамки общих рекомендаций. Имеется определенный пробел в исследованиях, связанных с обоснованием рецептуры полиэтиленовой композиции.

В связи с этим данная работа посвящена изучению основных закономерностей процессов получения химически сшитого пенополиэтилена с низкой кажущейся плотностью, а также разработке технологии его производства с целью получения пенопласта с хорошими теплоизоляционными и амортизационными свойствами, обладающего химической стойкостью, нетоксичностью, морозостойкостью, низким водопоглощением, легкостью переработки в изделия.

Проведение комплексных исследований процесса вспенивания путем изучения кинетики разложения газообразователя в полиэтиленовой композиции и эффективности сшивающего действия органической перекиси способствует выполнению основной задачи – созданию отечественного производства пенополиэтилена с низкой кажущейся плотностью.

1.1. Характеристика готовой продукции

Готовой продукцией являются вспененные листы, представляющие собой легкие закрытоячеистые материалы, изготовленные на основе полиолефинов (полиэтилен высокого давления), газообразователя сшивающего агента, активаторов и различных пигментов.

Пенополиэтиленовые листы предназначены для применения в качестве теплоизоляционного и амортизационного материала, для изготовления изделий спортивного назначения, плавучих средств, в качестве упаковочного и прокладочного материалов, для изделий протезно-ортопедического назначения и для подошв обуви.

Пенополиэтиленовые листы должны соответствовать требованиям технических условий ТУ 2246-001-10489953-98.

По внешнему виду пенополиэтиленовые листы должны иметь гладкую поверхность или с теснением, с ровно обрезанными кромками. На поверхность листов допускаются разнотонность, раковины и пузырьки диаметром не более 2,5 мм и глубиной не более 0,5 мм в количестве не более 3 шт. на 1 дм².

Цвет листов согласуется с потребителем путем изготовления контрольных образцов.

Размер листов 600×900 или 800×800, толщиной 3-40 мм.

Размер может быть другим, по согласованию с потребителем.

Пенополиэтиленовые изделия используют в различных сферах:

- универсальная упаковка для приборов и оборудования, в том числе армейского, эксплуатирующихся в полевых условиях во всех климатических зонах, для поставки военной техники на экспорт;

- супинаторы, компенсаторные стельки;

- облицовка сидений спортивных лодок,

- защитные детали в изделиях спортивного назначения, несущие большую нагрузку.

- головодержатели различного типа;

- туристические коврики, вкладыши в бойцовские перчатки, вкладыши в маски, в щитки для хоккейного снаряжения;

- теплоизоляционная и амортизационная напольная подложка в спортзалах, бассейнах, детских игровых комнатах;

- демпфирующие и амортизационные вкладыши в страховочные жилеты, пояса для монтажных работ, лямки рюкзаков;

- плавательные доски, плотики;

- плавучие элементы в спасательных жилетах, в спасательных кругах;

- заполнение заградительных плавающих бонов;

- конструкторы и дидактический материал;

- прочные сборные коврики;

- безопасные шайбы для игры в хоккей;

- уплотнители для автомобильных люков;

- защитное покрытие внутренней поверхности днища легковых автомобилей;

- прокладочный материал в сумках и рюкзаках;

- уплотнители для валков при нанесении на поверхность лаков и красок;

- покрытие валов (взамен резины) при нанесении на различные поверхности; - лаков на основе агрессивных растворителей;

- подложка в щетках для чистки обуви и одежды;

- облицовка кабин тракторов, военных машин;

- уплотнительные прокладки в приборах.

Материалы из пенополиэтилена имеют большие перспективы на российском упаковочном рынке, это связано все с более расширенной областью их применения, нетоксичностью, невысокой стоимостью и современными повышенными требованиями к сохранению продукции.

Ассортимент выпускаемой продукции представлен в таблице 1. Эскиз изделия представлен в приложении 1.

Таблица 1

Ассортимент и объем выпуска продукции листа ППЭ(ТУ 2246-001-10489953-98)

Наимено-вание изделия. Размеры, мм	Краткая харак- теристика	Сырье (стандарт)	Еди-ница изме-ре-ния	Годовая програм-ма, шт	Масса
					Еди- ницы, г	гото- вой прод.,т
Лист ППЭ 800х600х5	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	23810	420	10
Лист ППЭ 800х600х7	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	27778	540	15
Лист ППЭ 800х600х10	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, Перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	37500	720	27
Лист ППЭ 800х600х12	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	19048	840	16

Продолжение табл. 1

Лист ППЭ 800х600х15	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	42157	1020	43
Лист ППЭ 800х600х20	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	15909	1320	21
Лист ППЭ 800х600х25	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	28735	1740	50
Лист ППЭ 800х600х27	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	6451	1860	12
Лист ППЭ 800х600х30	Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы	ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	5825	2060	12

Окончание табл. 1

Лист ППЭ 800х600х30		Лист с черными и белыми полосами для изготовления вставок в одежду, сумки и чемоданы		ПЭВД ГОСТ 16337-77, стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96, оксид цинка ГОСТ 202-84, порофор ЧХЗ-21 ТУ 113-38-110-91, стеариновая кислота ГОСТ 6484-96, перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007	шт	5462	2380	13
ИТОГО:						212675	12900		219

1.2. Обоснование выбора сырья

Полиэтилен

Ведущую роль в промышленном выпуске эластичных вспененных материалов занимаю пенопласты на основе полиуретана и поливинилхлорида. Однако эластичные пенополиуретан и пенополивинилхлорид, обладая ценными техническими свойствами, имеют ряд следующих недостатков, которые ограничивают их использование для многих специальных целей:

а) токсичность исходных продуктов и токсичность при горении;

б) узкий интервал рабочих температур и наличие усадки при нормальных условиях для поливинилхлорида;

в) недостаточная прочность пенополиуретана и нестойкость его к атмосферным воздействиям и гидролизу.

Анализ литературных источников, касающихся сведений относительно практической пригодности и ценности пенопластов, позволил придти к выводу, что наиболее целесообразно в качестве полимерной основы использовать полиэтилен низкой плотности.

Полиэтилен выпускают без добавок – базовые марки и в виде композиций на их основе со стабилизаторами и другими добавками в окрашенном и неокрашенном виде.

Базовые марки полиэтилена и композиции на их основе выпускают высшего, 1-го и 2-го сортов.

Полиэтилен должен выпускаться в виде гранул с одинаковой геометрической формой в пределах одной партии, размер их в любом направлении должен быть 2-5 мм. Для базовых марок и композиций полиэтилена допускаются гранулы размером свыше 5 до 8 мм, массовая доля которых не должна превышать 0,25%, и гранулы размером 1 до 2мм, массовая доля которых не должна превышать 0,5%, а для полиэтилена, предназначенного для изготовления пленок специального назначения, - 0,25%.

Для полиэтилена 2-го сорта допускаются серые и окисленные гранулы, массовая доля которых не должна превышать 0,1%. В окрашенном и неокрашенном полиэтилене не допускаются гранулы другого цвета, кроме 2-го сорта, в котором массовая доля гранул другого цвета не должна превышать 0,04%.

Органические газообразователи (порофоры)

В качестве порофоров для вспенивания полимерных материалов могут быть использованы азо- и диазосоединения, N-нитрозосоединения, сульфоно-гидразиды, азиды, триазины, триазол, сульфонилсемикарбазиды, производные мочевины и гуанидина, сложные эфиры. На практике наиболее широкое распространение получили порофоры первых трех классов.

Азо- и диазосоединения. Применение ази- и диазосоединений в качестве газообразователей основано на их способности разлагаться при нагревании с выделением азота. Термическая стабильность этих соединений зависит от строения заместителей у углеродного атома, связанного с азо- или диазогруппой.

Алифатические азосоединения разлагаются по схеме:

При распаде диазосоединений кроме азота образуются различные амины и окрашенные продукты. Из соединений этого класса в качестве порофора может быть использован диазоаминобензол (ДАБ). Он имеет температуру разложения 99-140 °С, газовое чисто 113 см³/г. Температура разложения и газовое число зависят от кислотности среды, влажности. Токсичность и способность окрашивать резины затрудняют его применение.

Меньшей токсичностью обладают производные ДАБ, например N-ацетилдиазоаминобензол. Это соединение интенсивно выделяет газ в интервале 140-150 °С, обладает вулканизирующим действием и может быть использовано в производстве пористых резиновых изделий, не контактирующих со светлыми деталями, изменение окраски которых нежелательно.

Наименьшей токсичностью обладает азодикарбонамид. Также он стабилен при хранении, имеет температуру разложения 190-240 °С, которую можно понизить с помощью активаторов разложения.

Сшивающие агенты

Это вещества, способные необратимо превращать (сшивать) молекулы полимеров или олигомеров (смол) в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры. Сшивающие агенты резко уменьшают способность полимеров к необратимым деформациям и набуханию в растворителях, повышают их прочность, теплостойкость и химическую стойкость. Сшивание полимеров может также происходить под действием тепла и ионизирующих излучений.

Сшивающие агенты реагируют с содержащимися в молекулах полимеров и олигомеров функциональными группами (отверждение эпоксидных смол), непредельными связями (отверждение ненасыщенных полиэфирных смол, вулканизация каучуков) или основной цепью полимера (сшивание полиэтилена и сополимеров этилена с пропиленом).

Активаторы разложения

Существует целый ряд полимеров, таких как полиэтилен, ПВХ, которые перерабатываются при температурах ниже температуры разложения азодикарбонамида. Для переработки таких материалов используют азодикарбонамид со специальными добавками, так называемыми активаторами, позволяющими снизить температуру разложения до 150°С

Активаторы разложения порофоров, помимо изменения температуры разложения, влияют также и на начальную вязкость, на скорость вспенивания и качество макроструктуры. Некоторые активаторы распада порофоров (стеараты кадмия, цинка) одновременно являются стабилизаторами термического распада полиэтилена.

1.3. Характеристика выбранного сырья

В состав композиции для получения пенополиэтилена входят:

1. ПЭВД ГОСТ 16337-77

2. Порофор (азодикарбонамид, ЧХЗ-21) ТУ 113-38-110-91

3.Оксид цинка ГОСТ 202-84

4. Стеарат цинка ТУ 6-09-17-316-96

5. Стеариновая кислота ГОСТ 6484-96

6. Перекись дикумила ТУ 2417-006-51764779-2007

Полиэтилен

Основной для получения отечественных марок пенополиэтилена служит гранулированный ПЭВД 15803-020 (ГОСТ 1637-77).

[ - CH₂ – CH₂ - ]n

Гранулы имеют размер 3-6мм и насыпной вес 45 кг/м³. Основные характеристики ПЭВД приведены в таблице 2.

Таблица 2

Основные показатели полиэтилена марки 15803-020

Наименование показателя	Значение
Кажущая плотность, г/см3, в пределах	0,9190 ± 0,002
Показатель текучести расплава (номинально значение) с допуском, %, г/10 мин	2,0 ± 25
Разброс показателей текучести расплава в пределах партии, %, не более	±6 - ±15
Количество включений, шт., не более	2 - 30
Стойкость к растрескиванию, ч, не менее	-
Предел текучести при растяжении, Па (кгс/см2), не менее	93 × 105
Прочность при разрыве, Па (кгс/см2), не менее	113 × 105

Марка полиэтилена 15803-020 обозначает, что это полиэтилен высокого давления базовой марки 58. Процесс полимеризации этилена протекает при высоком давлении без гомогенизации в расплаве, имеет плотность 0,0919 г/см³ и показатель текучести расплава 2 г/10 мин.

Порофор (азодикарбонамид, ЧХЗ-21)

Для вспенивания полиэтилена широко используется азодикарбонамид - АДА, торговое название ЧХЗ-21.

Азодикарбонамид является одним из наиболее эффективных высокотемпературных химических газообразователей (ХГО): температура разложения 190 – 240 °С, газовое число 230-270 мл/г, а в присутствии катализаторов разложения – 430 мл/г. Основные физические константы: теплота сгорания 240-255 ккал/моль, удельная теплоемкость 0,26 кал/г*град, удельный вес – в пределах 1,53 – 1,66 г/мл, насыпной вес 0,5 г/см³.

Температура разложения АДА существенно зависит от способа определения. Чистый азодикарбонамид при нагревании со скоростью 1 град/мин разлагается при температуре около 195°С. Если такой же образец опустить в баню 210°С, то он разлагается через 63-78сек. Поскольку АДА вырабатывается в водных суспензиях, рекомендуется его сушить в интервале 105-120°С; выдержанный при 140°С в течение 4 часов АДА теряет в весе около 3%. При взаимодействии с основаниями образует соответствующие соли азодикарбоновой кислоты (реакция экзотермична), которые в воде неустойчивы и гидролизуются до карбонатов, СО₂, гидразина и азота. В кислотах АДА разлагается до азота, аммиака и СО₂ и частично восстанавливается до гидразодикарбоксамида. Скорость кислотного гидролиза пропорциональна температуре.

Хотя АДА – соединение химически активное (он может конденсироваться с формальдегидом, образуя метиловые производные), как ХГО он достаточно стабилен при хранении в сухом и влажном состояниях в химически нейтральной среде и не гигроскопичен. В отличие от большинства ХГО органического типа он не поддерживает горения и является самозатухающим.

Активаторы разложения

Активаторы разложения ХГО предназначены для снижения температуры разложения порофоров с тем, чтобы приблизить ее к той температуре расплава, при которой достигается оптимальная кратность вспенивания композиции.

При изготовлении пенопластов на основе ПЭВД в качестве активаторов термического разложения АДА применяют соли двухвалентных металлов: стеараты цинка, бария, кальция; окиси цинка и магния; ацетаты свинца, кальция, цинка, калия, натрия, магния. Как правило, активаторы вводят в композицию в количестве 0,05-1,0 вес. %.

Наиболее эффективными активаторами разложения АДА в полиэтилене являются ацетаты свинца и цинка, стеарат цинка, окись цинка и свинца, мочевина, стеариновая кислота.

Следует помнить, что величина оптимальной концентрации активаторов разложения довольно резко зависит от технологических условий – температуры вспенивания и состава композиций. Поэтому даже незначительное изменение этих условий заметно снижает газообразующую способность ХГО, уменьшая тем самым кратность вспенивания.

В данном курсовом проекте в качестве активаторов разложения используется оксид цинка (ZnO), стеарат цинка (CH₃(CH₂₎₁₆COO)₂Zn) и стеариновая кислота (CH₃(CH₂₎₁₆COOH).

Сшивающие агенты

В процессе получения легких пенопластов для сшивания полимеров и сополимеров этилена используют диалькильные перекиси, имеющие следующие температуры разложения: перекись дикумила (171°С), перекись ди-трет-бутила (193°С), 2,5-диметил-2,5-ди-(трет-бутилперокси)гексан (179°С) и др.

Наиболее рациональным принципом получения пенополиэтилена является, очевидно, совмещение в одном технологическом цикле процессов сшивания и вспенивания, основанных на термическом распаде органических перекисей и химических газообразователей; необходимо, чтобы процесс термораспада перекиси несколько опережал распад порофора. Поэтому эффективного проведения процесса вспенивания полиолефинов необходимо знать кинетику разложения и порофора, и перекиси.

Особенно благоприятные условия для вспенивания полиэтилена создаются при использовании таких систем «органическая перекись – порофор», для которых температурные интервалы и кинетические параметры соответствуют друг другу. В сочетании с перекисью дикумила к числу таких порофоров принадлежит АДА, благодаря высокой вспенивающей активности, отсутствию запаха и цветных продуктов распада, оказывается особенно выгодным.

Помимо близкого совпадения кинетических параметров разложения перекиси дикумила и АДА, широкое применение этой системы для вспенивания полиэтилена объясняется и тем обстоятельством, что сама по себе перекись дикумила влияет на поведение АДА, снижая температуру его разложения на 15-20°С.

В данном курсовом проекте в качестве сшивающего агента используем перекись дикумила.

1.4. Обоснование метода переработки

Пенополиэтилен, полученный методом прессового формования

Прессовый метод получения химически сшитого пенополиэтилена состоит в формировании материала под высоким давлением и последующем свободном расширении его после снятия давления. В большинстве случаев этот метод включает три основных стадии: приготовление полиэтиленовой композици, формование под высоким давлением и вспенивание. В состав композиции входят ПЭВД, АДА, перекись дикумила, стеарат цинка, окись цинка, стеариновая кислота. Композцию выдерживали под давлением 80-100 кг/см² при температуре 160 – 170 °С.

Продолжительность прессования составляет 2 мин/мм толщины монолитной заготовки. В период прессования под действием температуры происходят процессы разложения АДА, термического распада перекиси и межмолекулярного сшивания полиэтилена.

После размыкания плит прессазаготовка на основе полиэтиленовой композиции вспенивается во всех направлениях, увеличивая свои размеры в 2,2 раза.

Получение пенополиэтилена при атмосферном давлении

В качестве метода вспенивания полиэтилена при атмосферном давлении исследовался экстурузионный способ, в котором непрерывность процесса достигается за счет вторичного прогрева монолитного профиля, выходящего из головки экструдера.

Температурный режим экструзии подбирался таким, чтобы жгут получался слегка подвспененным и с гладкой поверхностью. Установлено, что температура по зонам цилиндра должна увеличиваться от 100 до 120 °С, а температура головки составляет 100 – 105 °С. Для вспенивания экструдата предложена ванна, оснащенная транспортерами и содержащая в качестве теплоносителя расплав солей. Свойства экструдированных вспененных профилей представлены ниже в табл. 3:

Таблица 3

Кажущая плотность, кг/м3 Предел прочности при растяжении, кгс/см2 Относительное удлинение при разрыве, % Водопоглощение за 24 часа, % Эластичное восстановление при температуре, % : +20 °С -26 °С	80 3,6 195 0,3 86,4 87,5

Свойства экструдированных вспененных профилей

Получение пенополиэтилена в автоклаве под давлением углекислого газа.

Автоклавный метод использован при разработке технологии получения наплавов для кошельковых неводов.

В процессе получения изделий композиция нагревается в форме под давлением инертных газов, в данном случае углекислого газа, и вспенивание происходит после сброса давления. Для получения наплавов изготовлены специальная формующая насадка к экструдеру и автоклав в виде трубчатой установки, в которую помещается кассета с несколькими формами. По разработанной технологии выпущена опытная партия пенополиэтиленовых наплавов цельной конструкции в количестве 1000 шт. и передана на испытания в рабочих условиях.

Предварительные исследования показали, что наиболее перспективным материалом для производства эластичных наплавов является пенополиэтилен, который по сравнению с применяемым в настоящее время пенополистиролом и пенополихлорвинилом легче, более прочен и эластичен, морозостоек и обладает минимальным водопоглощением.

Метод осаждения из раствора

Применение летучих растворителей в технологии высокополимеров привело к созданию принципиально нового метода получения пенопластов – метода осаждения из раствора. Этот метод был развит японскими учеными для нанесения пенополиэтиленовой изоляции на тонкие медные провода.

Исходной композицией в данном случае служит 30%-ный раствор полиэтилена НД в ксилоле или полиэтилена ВД в толуоле. Процесс изготовления изоляции включает следующие четыре стадии: нанесение покрытия, кристаллизация, сушка, вспенивание.

Пенопластовая изоляция имеет закрытоячеистую структуру и плотную поверхностную корку. Данный метод нанесения изоляции является непрерывным и осуществляется с высокой скоростью 40м/мин.

В данном курсовом проекте для получения листов из пенополиэтилена используется метод прессования. Этот метод не смотря на периодичность процессов, имеет свои положительные качества. Это, во-первых, возможность получения вспененных листов толщиной до 60мм, во-вторых, использование стандартного оборудования и отсутствие дополнительных капиталовложений на специально проектируемое и изготавливаемое оборудование. В-третьих, просто и доступность в обслуживании технологической линии. В-четвертых, пенопласты, полученные прессовым методом, имеют высокие физико-химические показатели в сочетании с однородной мелкоячеистой структурой, размер которых 100мк и менее низкое содержание открытых ячеек, а именно 5-10%.

1.5. Физико-химические основы технологического процесса

Пенополиэтилен представляет собой легкий закрытоячеистый материал с кажущей плотностью 65-150 кг/м³. В производстве обычно применяют полиэтилен высокой или низкой плотности. Вспенивающими агентами служит азодикарбонамид (порофор ЧХЗ-21, порофо 18, азодикарбоксилат бария, минеральные газообразователи (углекислый аммоний, углекислый натрий), а также легкокипящие жидкости (1,2-дихлортетрафторэтан). Чаще всего используется азодикарбонамид, так как для него характерно наиболее высокое газовое число (194-220 см³/г). Кроме того этот газообразователь нетоксичен, скорость и температурный интервал его распада можно изменять, вводя такие вещества, как активаторы разложения.

Основным составляющим пенополиэтилена является полиэтилен высокого давления, который может быть получен реакцией полимеризации этилена по радикальному механизму при высоком давлении под действием кислорода или перекисей, например, перекисей лаурила,бензоила, дикумила.

Можно также одновременно использовать перекись и кислород. Процесс описывается классическими уравнениями радикальной полимеризации. Принято считать, что инициатор образует свободный радикал, который легко реагирует с этиленом:

Получающийся при этом более крупный радикал присоединяется к другой мономерной молекуле, и процесс продолжается до тех пор, пока реакция роста цепи не прекратится:

Реакция роста цепи прекращается в результате дезактивации полимерных радикалов. Образующийся полимер является разветвленным, синтетическим, карбоцепным.

Подавляющие количество полиолефинов изготавливают вспениванием с помощью газообразователей. Заготовки для вспенивания формуют прессованием, экструзией и литьем под давлением. Обычно в состав композиции входят органические перекиси (перекись дикумила, перекись трет-бутилкумила). Широко распространен метод свободного вспенивания. Сущность его заключается в формовании заготовок материала под высоким давлением и их последующем свободном расширении после уменьшения или сброса давления. Этот метод называют еще методом прямого прессования. Его особенностью является совмещение в одном технологическом цикле процессов сшивания и вспенивания, основанных на термическом распаде органических перекисей и химических газообразователей.

В период получения пенополиэтилена в пресс-форме под действием температуры происходят следующие процессы:

1) переход материала в вязкотекучее состояние;

2) разложение органической перекиси и образование поперечной связи между макромолекулами полимера;

3)разложение порофора ЧХЗ-21 и образование насыщенного раствора газа в полимере.

Механизм сшивания полиэтилена перекисью дикумила состоит в следующем. При температуре прессования (160-175°С) происходит гемолитический распад перекиси дикумила на два первичных кумилоксидных радикала:

Данные радикалы отщепляют от полиэтилена водород, давая полиэтиленовый макрорадикал и кумиловый спирт:

За счет рекомбинации полимерных радикалов образуется поперечная связь между молекулами полиэтилена:

Одновременно с разложением перекиси, происходит разложение газообразователя. Температура разложения порофора ЧХЗ-21 составляет 190-240°С. В присутствии активаторов, температура разложения азодикарбонамида снижается до 160-170°С.

Разложение порофора ЧХЗ-21 в присутствии активаторов (окись цинка, стеарат цинка) инициируется разложением азодикарбоксилатов, которые образуются за счет реакции азодикарбонамида с катионами активаторов. Соли азодикарбоксиловой кислоты неустойчивы при нагревании и быстро разлагаются при более низких температурах, чем это делают диамиды, т.е. в пределах 150-160°С.

Разложение порофора ЧХЗ-21 протекает по следующей схеме:

Таким образом, в одном случае образуется N₂, CO и мочевина, которая далее подвергается термораспаду; в другом, помимо азота, - циановая кислота и гиддразокарбоксамид, который также подвергается дальнейшим превращениям.

Отсутствие необходимых данных не позволяет предвидеть условия, в которых может реализоваться тот или иной механизм деструкции АДА. Учитывая, что, согласно направлению I, образуется токсичная окись углерода, при выборе технологической рецептуре следует иметь данные о составе газообразные продуктов, образующихся при термообработке вспениваемой композиции в реальных условиях.

Химическое сшивание способствует повышению вязкости расплава, в результате чего газ удерживается в ячейках при вспенивании.

Пузырьки газа, растворенного в полимере, находятся в сжатом состоянии. При быстром снятии давления в форме разность давлений внутри и вне полимерной композиции резко возрастает. Под влиянием возрастания давления газа в заготовке увеличиваются уже имевшиеся в зародыше ячейки и за счет снижения растворимости газа в полимере образуются новые ячейки.

Вследствие этого заготовка в свободном состоянии вспенивается, т.е. пропорционально увеличиваются линейные размеры во всех направлениях с сохранением подобия первоначальной формы. При охлаждении на воздухе пенопласт затвердевает, и благодаря сшитой структуре сохраняется стабильность пены.

Несмотря на то, что пенопласты обладают широким диапазоном физико-химических свойств, они обладают и рядом недостатков. Для устранения этих недостатков применяется модификация пенопластов. Модификация пенопластов представляет собой любое изменение состава композиции. Это и введение в композицию новых газообразователей, и применение новых сшивающих агентов, применение вместо полиэтилена высокого давления полиэтилена низкого давления.

Наполнителями для композиционных материалов могут служить почти все существующие в природе и созданные человеком материалы. При введении наполнителей в пенопласты обычно преследуется цель экономии дефицитного органического сырья и удешевления конечного продукта, направленного изменения технологических параметров переработки полимерных композиций и физических свойств пеноизделий. В ряде случаев добавка наполнителя способствует улучшению механических свойств пенопласта. Обычно для эой цели используют порошкообразные и волокнистые наполнители.

Для снижения полимероемкости используют следующие наполнители: природные, синтетические, наполнители растительного происхождения, промышленные и бытовые отходы.

Из дисперсных наполнителей наилучшие результаты по усилению пенопластов дают полые микросферы. Они повышают жесткость, ударную прочность, теплостойкость, износостойкость, формоустойчивость и снижают коэффициент термического расширения пенопластов.

Деформационные и прочностные свойства пенопластов можно повысить с помощью наполнителей с частицами чешуйчатой формы. Самыми распространенными усиливающими наполнителями пенопластов являются стеклянные волокна. Они относительно дешевы и просты, сохраняют форму и эксплуатационные характеристики в широком температурном диапазоне, негорючи, стойки ко многим агрессивным средам, плохо проводят тепло и электрический ток. Столь ценный комплекс свойств этих волокон в сочетании с высоком усиливающим эффектом определяет их широкое использование как наполнителя для полимера.

Полученный полиэтилен является инертным полимерным химически стойким материалом, токсикологически безвредным. Температурный диапазон эксплуатации пенополиэтилена: от -60 до+100°С. При температуре до +140°С выделение токсических веществ из материала не происходит. При нагревании выше плюс 140°С возможно выделение летучих продуктов термоокислительной деструкции, содержащих окись углерода, формальдегид, ацетальдегид, органические кислоты, винилацетат, двуокись углерода.

Пенополиэтилен без огнегасящих добавок является горючим материалом. При возникновении пожара его следует тушить всеми известными средствами пожаротушения: пенными и углекислыми огнетушителями, песком, водой, асбестовым полотном. В случае пожара избегать вдыхания дымовых газов, пользоваться респиратором. При попадании расплава пены на кожу ее следует охладить водой, затем удалить.

При производстве пенополиэтилена не применяются вещества, разрушающие озоновый слой атмосферы. При захоронении в земле не происходит выделение газов или веществ, загрязняющих водоемы. Отходы пенополиэтилена рекомендует сжигать в промышленных установках, имеющих высокие температуры. Отходы пенополиэтилена могут быть повторно использованы в качестве теплоизоляционного материала, легкого наполнителя при изготовлении строительных материалов.

1.6. Описание технологической схемы производства

Технологический процесс получения вспененных листов состоит из следующих стадий [см. прил.3]:

1. Сушка порофора ЧХЗ-21

2. Приготовление композиции

3. Грануляция

4. Экструзия заготовок

5. Прессование

6. Рихтовка вспененных блоков

7. Механическая обработка

8. Контроль и упаковка готовой продукции

9. Переработка отходов

1. Сушка порофора ЧХ3-21

Сушка порофора осуществляется в полочной сушилке (поз. СП) при температуре (90±5)°С в течение не менее 2-х часов на металлическом противне, высота слоя не более 30мм.

2. Приготовление композиции

Композицию для вспенивания готовят по рецептуре, приведенной в таблице 4:

Таблица 4

Наименование компонентов	Рецептура в масс. ч. ППЭ
ПЭВД	100
Порофор ЧХЗ-21	5,7
Перекись дикумила	1,5
Стеарат цинка	1,5
Окись цинка	0,5
Стеариновая кислота	1,0

Приготовление композиции осуществляется путем смешения гранул полиэтилена с остальными компонентами в лопастном смесителе (поз. СМ) в течение 30 минут при температуре помещения.

3. Грануляция

Гранулы полиэтилена получают методом экструзии с использованием специальных приспособлений для формирования потока выходящего расплава и для последующего измельчения.

Через загрузочную воронку смесь компонентов поступает в цилиндр одношнекового экструдера (поз. Э1). В результате теплового воздействия электронагревателей, механического воздействия шнека, масса пластифицируется, уплотняется и гомогенизируется по мере продвижения к профилирующей головке. Зона загрузки цилиндра имеет водяное охлаждение. Процесс поддержания заданных температур осуществляется автоматически с помощью термопар, расположенных в каждой зоне экструдера и электронных регуляторов температуры.

Для получения гранулята используют головки для прутков диаметром сопла 4мм. Прутки поступают в охлаждающую ванну с оборотной водой (поз. ОВ), после охлаждения пропускаются через ножевой гранулятор (поз. НГ). Размер гранул составляет 2-5мм. в любом направлении. Температура зон экструдера при грануляции приведена в таблице 5:

Таблица 5

Температура зон цилиндра при грануляции

Температура по зонам, °С					Температура головки, °С
1	2	3	4
105-110	105-100	105-110	110-115	110-115

4. Экструзия заготовок

Данная стадия проводится с целью лучшей гомогенизации. Для формования заготовок используется одношнековый экструдер (поз. Э2) с щелевой головкой.

Бункер экструдера загружается гранулами композиции. Экструзия заготовок проводится при температурах указанных в таблице 6:

Таблица 6

Температура зон экструдера при экструзии заготовок

Температура по зонам, °С					Температура головки, °С
1	2	3	4
100-105	105-110	110-115	100-115	110-115

Лист, выходящий из экструзионной головки, поступает на калибрующий каландр (поз. КК), охлаждается на рольганге (поз. Р). После оттяжки с помощью гумированных валков (поз. ГВ) лист режется гильотиной (поз. Г) на отрезки в соответствии с размерами пресс-формы. Толщина листов заготовок от 1 до 3 мм.

5. Прессование

Прессование листо производится на гидравлических прессах типа ДГ2432 усилием 1600кН с пресс-формой открытого типа (поз. ГП). Перед загрузкой заготовок в пресс-форму производится ее смазка силиконом. навеску в виде экструзионных заготовок, в зависимости от размеров листа, загружают в пресс-форму. Плиты смыкаются и выдерживают в течении определенного времени под давлением 15МПа. По истечении времени выдержки плиты пресса размыкают. Отпрессованная заготовка вспенивается мгновенно после снятия давления и размыкания плит пресса.

6. Рихтовка вспененных блоков

Вспененный блок вручную вынимают из пресса и помещают для рихтовки между холодными плитами пресса под давлением не более 15 МПа (поз. ХП)

7. Механическая обработка

Механическая обработка производится путем обрезки кромок полученного листа с помощью станка механической резки (поз. МО).

8. Контроль и упаковка готовой продукции.

Контроль готовой продукции осуществляется путем определения размеров листа с помощью линейки, микрометра или штангенциркуля. Проверка качества внешней поверхности проводится визуально (поз. КиУ). После этого изделия из ППЭ упаковывают в пакеты из полиэтиленовой пленки по ГОСТ 10354 или в полиэтиленовую термоусадочную пленку по ГОСТ 25951.

Допускается упаковка по согласованию с потребителем в картонные коробки и другие виды тары. Маркировку наносят на этикетку в соответствии с ГОСТ 51121. Она должна содержать: наименование предприятия-изготовителя и его юридический адрес, наименование и назначение изделия, номер партии, дату изготовления, номер настоящих технических условий, гарантийный срок хранения. После этого продукция направляется на склад готовой продукции участка (поз. СГП), а затем на цеховой склад.

9. Переработка отходов

Отходами производства являются обрезки листов (кромки, рваные края), брак. Возможно измельчение отходов, которое осуществляется на роторном измельчителе пластмасс ИПР-300 М (поз. Д) с сеткой диаметром 10 мм.

После чего крошка собирается в пакеты, направляется на хранение, а затем отправляется заказчику. Отходы ППЭ в измельченном виде могут быть повторно использованы в качестве теплоизоляционного материала, легкого наполнителя при изготовлении строительных материалов.

1.7. Нормы технологического режима и контроль производства

Контроль над стадиями процесса и технологическими параметрами представлен в таблице 7.

Таблица 7

Контроль производства

Наименова-ние стадии процесса	Показатели,обязательные для проверки	Периодич- ность кон- троля	Нормы и техничес- кие показа- тели	Методы испытания и средства контроля	Контрору- ет
1. Входной контроль сырья: - ПЭВД, перикись дикумила, стеарат цинка, оксид цинка, порофор ЧХ3-21,стеари- новая кис- лота	Плотность созданного образца Внешний вид	Каждая партия	65-150г/см3 Внешний вид должен соответ- ствовать стандарту	ГОСТ 12730.1-78 Визуально	Лаборант Лаборант

Продолжение табл. 7

2. Сушка порофора ЧХЗ-21	Температура Время	Каждая партия Каждая партия		(90±5) °С Не менее 2 часов	ТГП- 100ЭК пределы измерений 50-150°С класс точ- ности 0,5 Часы	Аппаратчик Аппаратчик
3. Смеше- ние компози- ции	Время	Каждая партия		(25±5) мин	Часы	Аппаратчик
4. Грануля-ция компо- зиции	Температура по зонам		Каждыйзамес	В соответ- ствии с табл. 4 разд. 1 (стр. хх) доп. +6°С	Ш 4501 пределы измерений 0-400°С	Машинист экструдера
5. Экстру- зия загото- вок	Температура по зонам		4 раза в смену	В соответ- ствии с табл. 5 раздл.1 (стр. хх) доп. +6°С	Ш 4501 пределы измерений 0-400°С	Машинист экструдера

Окончание табл. 7

6. Прессо- вание		Температура Давление Время	1 раз в смену Каждая запрессов- ка Каждая запрессов- ка	В соответ- ствии с маркой ППЭ Не более 25МПа На 1 мм толщ. 1мин выдержки	«Протерм- 100» Пределы измерений 0-600°С Монометр Часы	Прессов- щик Прессов- щик Прессов- щик
7.Рихтов-ка	Время		Каждая запрессовка	На 1 мм толщ. 1мин выдержки	Часы	Прессов- щик
8. Контроль готовой продук-ции	Качество поверхнос- ти и чистота Геометриче-ские размеры		Каждый лист Не менее 10 образ- цов из партии	Качество поверхнос- ти и чистота должны соответство-вать стан- дарту 800*600*5 800*600*10 800*600*15 800*600*20 800*600*25	Визуаль-но Линейка штанген циркуль, микро- метр	Контролер ОТК Контролер ОТК

1.8. Виды брака и способы его устранения

Различные отклонения от нормального хода технологического процесса на всех стадиях приводят к дефектам изделий. Дефекты – допускаемые отклонения (по техническим условиям). Брак – это не допустимые дефекты. Даже при исправной пресс-форме, доброкачественном материале и хорошо работающем оборудовании возможно появление так называемого технического брака.

Основные виды брака, а также причины и способы его устранения представлены в таблице 8.

Таблица 8

Виды брака и способы его устранения

Вид и появление неполадок	Причина отклонения		Способы устранения
1. Толщина жгутов мате- риала больше диаметра фильеры	Подвспенивание материала, завышена температура экс- трузии		Снизить темпера- туру, проверить исправность при- боров
2. Широкая поверхность жгутов на срезе ячейки		Подвспенивание материала, завышена температура	Снизить темпера- туру, проверить исправность при- боров
3. Материал расплавля- ется не полностью, экс- трудируемый лист имеет много дефектов		Заниженная температура экструзии	Повысить температуру
4. Прилипание вспенен- ного блока к поверхнос- ти пресс-формы		Не очищена поверхность пресс-формы	Хорошо почис- тить и смазать пресс-форму
5. Структура вспенен- ных блоков неоднород- ная. Много раковин		Низкое давление Мала навеска	Следить за пока- занием мономет- ра Увеличить навес-ку.

Окончание табл. 8

6. Вытекание расплава из пресс-формы при вы- держки под давлением. Трещины на вспененном блоке.

Большая навеска. Перегрев плит пресса Перекос или деформация плит пресса

Уменьшить наве- ску. Довести темпера- туру до нормы Отрегулировать горизонтальность плит пресса

2.2. Расчет и выбор основного оборудования

2.2.1. Расчет эффективного фонда времени работы оборудования

Годовой эффективный фонд времени работы оборудования зависит от выбранного режима производства и определяется по формуле:

где – календарный фонд времени, дни; = 365дней; время на выходные дни, дни; – время на праздничные дни, дни;

время простоя оборудования во всех видах плановопредупредительных ремонтов в течение года, ч; – время остановки по техническим причинам в год,

Время простоя оборудования во всех видах плановопредупредительных ремонтов в течение года рассчитываем по формуле:

где Ц_к – это время работы оборудования между двумя капитальными ремонтами, ч; Ц_к = 66528 ч; Т_к, Т_т – время простоя в ремонте на один капитальный и текущий соответственно, ч; Т_к = 625 ч, Т_т = 304 ч; 8640 – условный год в часах, принимаемый при проектировании и перспективном

планировании, m– число текущих ремонтов между двумя капитальными ремонтами.

Число текущих ремонтов между двумя капитальными (m) рассчитываем по формуле:

где Ц_к, Ц_т – время работы оборудования между двумя капитальными и текущими ремонтами соответственно, ч; Ц_к = 66528 ч, Ц_т = 6120 ч

Исходя из полученных данных, рассчитываем время простоя оборудования во всех видах плановопредупредительных ремонтов в течении года:

Время остановки по техническим причинам рассчитываем по следующей формуле:

где t_техн – норма времени на остывание и разогрев при каждой остановке, ч; t_техн = 4 n – количество остановок; n_вых – число остановок на выходные, n_вых = 0; n_празд – число остановок на праздники, n_празд = 1; n_ппр – число остановок на все виды ремонтов в течение года; n_мс – число остановок между сменами, n_мс = 0.

Число остановок на все ремонтов в течение года рассчитываем следующим образом:

где m – число текущих ремонтов между двумя капитальными ремонтами; m = 9,8; Ц_к – время работы оборудования между двумя капитальными ремонтами, ч; Ц_к = 66528 ч

Рассчитываем Т_техн:

Определяем эффективный фонд времени работы оборудования:

Основным оборудованием для получения полимерных изделий является гидравлический пресс. Его выбирают по расчетному усилию прессования.

2.2.2. Усилие прессования рассчитывают по формуле:

P = 1,2 × P_уд × F,

где 1,2 – коэффициент запаса;

P_уд – удельное давление прессования, Н/м²;

F – площадь прессования, м².

Площадь прессования определяют по формуле:

F = S × n,

где S – площадь прессуемой детали, м²;

n – гнездность формы.

S = a × b

S = 0,3 × 0,45 = 0,135 м²

F = 0,135 м² × 1 = 0,135 м²

P` = 1.2 × 0,135 м² × 8 × 10⁶ Н/м² = 1296 кН.

По рассчитанному усилию прессования выбираем пресс марки ДГ 2432 с усилием прессования 1600кН.

2.2.3. Диаметр плунжера пресса марки ДГ 2432 определяют по формуле:

где Р_н – номинальное усилие прессования, Н; Р_н = 1600 кН = 1600000 Н;

ρ – давление энергетической жидкости, Н/см²; ρ = 3256 Н/см².

D = 25 см.

2.2.4. Усилие возврата рассчитываем по формуле:

Р_возв = 0,15 × Р_н,

где Р_н – номинальное усилие прессования.

Р_возв = 240 кН.

2.2.5. Диаметр штока рассчитываем по выражению:

где D – диаметр плунжера, см;

d – диаметр штока, см;

P_возв – усилие возврата, Н;

ρ – давление энергетической жидкости, Н/см²; ρ = 3256 Н/см².

d = 23 см.

2.2.6. Потери на трение поршневых колец в цилиндре рассчитываем по формуле:

Р_ТР1 = 10^-4 × D² × f_m × (ρ + 50),

где D – диаметр плунжера, см;

f_m – коэффициент трения уплотнения, f_m = 0,08.

Р_ТР1 = 16,53 кН.

2.2.7. Потери на трение в манжетном уплотнении штока определяем по формуле:

где k – коэффициент запаса, k = 1,00;

P_н – номинальное усилие прессование, кН;

d – диаметр штока, см.

Р_ТР2 = 69,5 кН.

2.2.8. Потери на трение в направляющих пресса определяем по формуле:

Р_ТР3 = 0,05 × P_н,

где P_н – номинальное усилие прессование, кН.

Р_ТР3 = 80 кН.

2.2.9. Массу подвижных частей пресса принимаем за 1000 кг. Тогда

,

где m – масса подвижных частей пресса, кг.

М_д = 9,81 кН.

2.2.10. Компенсирующее противодавление жидкости на сливе определяем по формуле:

Р_{пр.давл.} = 0,05 × Р_возв,

где Р_возв. – усилие возврата, кН.

Р_{пр.давл.} = 12 кН.

2.2.11 Эффективное усилие прессование рассчитываем по формуле:

Так как выполняется условие P > P` (1432>1296), то пресс марки ДГ 2432 подходит.

При наличии конкретной номенклатуры прессуемых деталей расчет количества оборудования выполняют по трудоемкости изготовления детали, определяемой продолжительностью цикла прессования, который состоит их технологического, машинного и вспомогательного неперекрываемого времени.

Норму штучного времени t_шт (мин) на прессование деталей из пластмасс определяют по формуле:

где t₀ – основное (технологическое) время выдержки под давлением, мин; t_в – вспомогательное неперекрываемое время, мин; К – коэффициент, учитывающий тип производства (К = 1); К₁ – коэффициент, учитывающий количество прессов, обслуживаемых одним прессовщиком (К₁ = 1); a₁ – коэффициент, учитывающий затраты времени на обслуживание рабочего времени (a₁ = 4); a₂ – коэффициент, учитывающий затраты времени на отдых или личные надобности (a₂ = 7); n – число гнезд формы (n = 1).

Основное технологическое время изготовления листов (t₀, мин) принимаем:

Для листа толщиной 5 мм:

t₀₁ = 5 мин

Для листа толщиной 7 мм:

t₀₂ = 7 мин

Для листа толщиной 10 мм:

t₀₃ = 10 мин

Для листа толщиной 12 мм:

t₀₄ = 12 мин

Для листа толщиной 15 мм:

t₀₅ = 15 мин

Для листа толщиной 20 мм:

t₀₆ = 20 мин

Для листа толщиной 25 мм:

t₀₇ = 25 мин

Для листа толщиной 27 мм:

t₀₈ = 27 мин

Для листа толщиной 30 мм:

t₀₉ = 30 мин

Для листа толщиной 35 мм:

t₀₁₀ = 35 мин

Вспомогательное неперекрываемое время (t_в, мин):

где t_пд – время подъема плиты, мин [7], t_пд = 0,25 мин; t_оп – время на опускание плиты, мин [7], t_оп = 0,27 мин; t_пп – время на подпрессовки, мин, t_пп = 0; t_cд – время на извлечение детали из формы, мин [7], t_сд = 0,05 мин; t_об – время на очистку формы от пластмассы, мин [7], t_об = 0,33 мин; t_вз - время на загрузку формы материалом, мин [7], t_вз = 0,058 мин.

Вспомогательное неперекрываемое время (t_в, мин) равно:

t_в = 0,25 + 0,27 + 0 + 0,05 + 0,33 + 0,058 = 0,958 мин.

Время нагрева материала в форме (t_нд, мин) рассчитываем следующим образом:

где δ – половина толщины стенки детали, м; а – коэффициент температуропроводности материала, критерий Фурье, который в зависимости от формы изделия и относительной температуры θ определяют по графику [7].

Половина максимальной толщины стенки детали будет следующей:

Для листа толщиной 5 мм:

δ= 0,0025 м

Для листа толщиной 7 мм:

δ = 0,0035 м

Для листа толщиной 10 мм:

δ = 0,005 м

Для листа толщиной 12 мм:

δ = 0,006 м

Для листа толщиной 15 мм:

δ = 0,0075 м

Для листа толщиной 20 мм:

δ = 0,01 м

Для листа толщиной 25 мм:

δ = 0,0125 м

Для листа толщиной 27 мм:

δ = 0,0135 м

Для листа толщиной 30 мм:

δ = 0,015 м

Для листа толщиной 35 мм:

δ = 0,0175 м

Рассчитываем коэффициент температуропроводности:

где λ – коэффициент теплопроводности материала λ = 0,35·10^-3 [12]; ρ – плотность материала ; ρ = 924 [12]; с – теплоемкость материала,; с = 2,2 [12].

Относительная температура θ:

где Т_ф – температура формы, °С; Т₀ – температура материала при отверждении, °С (Т₀ = Т_ф – 6); Т_м – температура материала, загружаемого в форму, °С.

для листов толщиной 5мм, 7мм, 10мм, 12мм, 15мм:

для листов 20мм, 25мм, 27мм:

для листов 30мм, 35мм:

Определяем критерий Фурье:

F_{O 1,2,3,4,5} = 1,29;

F_{O 6,7,8} = 1,25;

F_{O 9,10} = 1,21.

Рассчитываем t_нд:

t_нд1 =

t_нд2 =

t_нд3 =

t_нд4 =

t_нд5 =

t_нд6 =

t_нд7 =

t_нд8 =

t_нд9 =

t_нд10 =

Рассчитаем норму штучного времени (t_шт, мин):

для листов 5 мм

для листов 7 мм

для листов 10 мм

для листов 12 мм

для листов 15 мм

для листов 20 мм

для листов 25 мм

для листов 27 мм

для листов 30 мм

для листов 35 мм

Время необходимое на выполнение годовой программы (t, ч) определяют по формуле:

где П – годовая программа выпуска, ; t_шт – норма штучного времени, мин.

2.3. Описание работы основного оборудования

Пресс гидравлический ДГ 2432

Пресс гидравлический ДГ 2432 [см. прил. 4] предназначен для получения изделий из термопластов и реактопластов методом прямого и трансферного прессования.

Аппаратура прессов предусматривает работу в полуавтоматическом режиме и наладочных режимах. При прямом или трансферном прессовании обеспечивается автоматическое поддержание заданной температуры матрицы и пуансона.

Основной несущей конструкцией пресса является станина, в верхнюю поперечину которой встроен главный цилиндр. На цилиндре установлен бак и клапан наполнения. В нишах станины расположены цилиндры возврата, трубопроводы, механизм конечных выключателей ползуна.

Выключатель с механизмом конечных выключателей закреплен в нижней поперечине станины.

Электроаппаратура пресса размещена в отдельном шкафу, закрепленном на фундаменте справа от станины пресса. Гидроагрегат закреплен на фундаменте слева от пресса.

Станина пресса рамного типа, сварная.

На прессе установлен главный цилиндр плунжерного типа. на верхнем торце цилиндра закреплен шпильками клапан наполнения и с помощью разрезных колец бак наполнения.

В регулируемых направляющих станины с текстолитовыми накладками перемещается ползун. Ползун пресса опирается на плунжеры цилиндров возврата.

Уплотнение главного и возвратных цилиндров манжетного типа. Выталкиватель представляет собой цилиндр поршнего типа и вместе с механизмом конечных выключателей выталкивателя смонтированы в нижней поперечине станины. Механизм поперечных выключателей ограничивает ход ползуна, а механизм конечных выключателей выталкивателя – ход выталкивателя. Заданная температура нагрева матрицы и пуансона контролируется и поддерживается автоматически. Привод пресса от индивидуального гидроагрегата, установленного на фундаменте рядом с прессом. на прессе можно работать с выталкивателем и без него, с отключенным двигателем на время выдержки под давлением и без отключения двигателя, с подпрессовками и без подпрессовок.

Смазка пресса производится вручную.

2.4. Выбор вспомогательного оборудования

1) Выбираем полочную сушилку CD – 5 с характеристиками:

время сушки – 2 часа;

количество материала загружаемого на 1 цикл – 50кг;

производительность равна: 50кг / 2 ч = 25 кг/ч.

2) Выбираем лопастной смеситель VKG – 25E c характеристиками:

время перемешивания - 0,5ч;

количество материала, загружаемого на 1 цикл – 25 кг;

производительность равна: 25кг / 0,5ч = 50 кг/ч.

3) Выбираем роторный измельчитель ИПР - 300М с характеристиками:

производительность до 150 кг/ч;

диаметр отверстий в калибровочной решетке 10 мм.

2.5. Расчет количества основного и вспомогательного оборудования

2.5.1. Расчет количества основного оборудования

Расчет количества прессов ведем по следующей формуле:

где Ʃ_t – сумма времени, необходимого на выполнение годовой программы, ч; Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, .

Количество прессов принимаем равное 8. Так как рихтовка листа требует еще и холодные пресса, то общее количество прессов принимаем равное 16.

Расчет количества линий грануляции LSS 1-90N

В состав линии входит экструдер SLE 1 – 90 c производительностью 50 кг/ч.

Количество линий грануляции определяем по формуле:

где G – мощность производства (из задания), G = 219000кг/год; q – производительность экструдера, q = 50кг/ч; Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, Т_эф = 8186,3 ч/год.

Принимаем количество экструдеров равное 1, и следовательно одну линию грануляции.

Расчет количества линий FSJ 120/33-1500 для получения заготовок

В состав линии входит экструдер SJ - 120/33 с производительностью 50 кг/ч.

Количество линий для получения заготовок определяем по формуле:

где G – мощность производства (из задания), G = 219000кг/год; q – производительность экструдера, q = 50кг/ч; Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, Т_эф = 8186,3 ч/год.

Принимаем количество экструдеров равное 1, и следовательно одну линию для получения заготовок.

2.5.2. Расчет количества вспомогательного оборудования

Расчет количества полочных сушилок

Число полочных сушилок определяем по формуле:

где G – количество порофора ЧХЗ-21, подвергаемого сушке, G = 11093,34кг/год; q – производительность полочной сушилки, q = 25кг/ч; Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, Т_эф = 2888 ч/год.

Принимаем количество полочных сушилок равное 1.

Расчет количества лопастных смесителей

Число лопастных смесителей определяем по формуле:

где G – мощность производства (из задания), G = 219000кг/год; q – производительность смесителя, q = 50кг/ч; Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, Т_эф = 8186,3 ч/год.

Принимаем количество смесителей равное 1.

Расчет количества измельчителей

Расчет количества измельчителей ведем по следующей формуле:

где G – количество отходов пенополиэтилена, G = 8009кг/год; q – производительность полочной сушилки, q = 50кг/ч; Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, Т_эф = 2056 ч/год.

Принимаем количество измельчителей равное 1.

2.6. Сводная таблица расхода сырья, энергоресурсов

Энергозатраты по основному и вспомогательному оборудованию рассчитываются по формуле:

где n_i – количество оборудования одного типа; N_i – потребляемая мощность оборудования, кВт;Т_эф – эффективный фонд времени работы оборудования, ч/год.

Расчет заносим в таблицу 10.

Таблица 10

Расчет энергозатрат

Наименование	Количество	Мощность, кВт		Тэф, ч/год	Энергозатраты, кВт·ч
Гидравлический пресс ДГ 2432	16	7,5		8186,3	982356,0
Полочная сушилка CD - 5	1	4		2888,0	11552,0
Линия грануляции SRJ	1	55		8186,3	450246,5
Линия по получению заготовок FSJ 120/33-1500	1	60		8186,3	491178,0
Измельчитель ИПР-300М	1	20		2056	41120,0
Смеситель VKG-25E	1	1,5		8186,3	12279,45
Напольные весы BW-500	2	0,01		8186,3	163,73
Настольные весы SW-5	2		0,25*10-3	8186,3	4,09
Станок механической резки Т-5001	1		0,35	2888,0	1010,8
ИТОГО:					1989910,57

Таблица 11

Технико-экономические показатели участка

Статьи расхода	Расход
	в год	в месяц	в сутки	в смену	в час	на 1 тонну
Сырье, кг: ПЭВД	211466,41	17622,20	587,40	195,8	24,47	1174,81

Продолжение табл. 11

Порофор ЧХЗ-21	11093,34	924,44	30,81	10,27	1,28	61,62
Стеаратцинка	3263,89	271,99	9,06	3,02	0,37	18,12
Перекисьдикумила	3263,89	271,99	9,06	3,02	0,37	18,12
Оксид цинка	934,49	77,87	2,59	0,86	0,10	5,19
Стеариновая кислота	2098,26	174,85	5,82	1,94	0,24	11,65
Энерогозат-раты на тех-нологичес-кие нужды: электроэнер-гия, кВт*ч	1989910,57	165825,88	5527,53	1842,51	230,31	11055,06
Вода техни-ческая, м3	36500,01	3041,65	101,32	33,71	4,23	202,78

3. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

3.1. Охрана окружающей среды

3.1.1. В производстве гранулированной и экструдируемой пенообразующей композиции сточные воды не образуются. Вода, используемая для охлаждения, находится в оборотной системе цеха.

3.1.2. Количество и состав газовых выбросов приведет в таблице 12.

Таблица 12

Количество и состав газовых выбросов

Наименование выброса, отделения, аппарата	Количество выбросов, кг/ч	Периодичность	Предельно- допустимые концентрации вредных веществ, мг/м3
1. Воздух местного отсоса экструзионной гловки: оксид углерода формальдегид ацетальдегид органические кислоты (в пересчете на уксусную кислоту) аэрозоль полиэтилена	0,01	Непрерывно	20,0 0,5 5,0 5,0 10,0
2. Воздух местного отсоса гидравлического пресса: трет-бутиловый спирт мета и пара диоксидиизопропилбензолы	0,009	Непрерывно	100 10

3.1.3. Количество твердых отходов по видам и пути их использования приведены в таблице 13.

Таблица 13

Количество твердых отходов по видам и пути их использования

Наименование отходов, отделения агрегата	Количетсво отходов, кг/т	Периодичность образования	Направление использования
1. Твердые возвратные технологические отходы (чистка экструдера при запуске, остановки, некондиция гранул, слитки и т.д.)	16	Непрерывно	На измельчение и далее на производство пенообразующей композиции в качестве добавки до 30% к основной композиции
2. Сильно загрязненные с пола россыпи, чистка оборудования	4	Непрерывно	Вывозятся на свалку с мусором
3. Обрезки ППЭ	20	Непрерывно	В качестве тепло-изоляционного материала, легкого наполнителя при изготовлении строительных конструкций

3.2. Основные правила безопасной эксплуатации производства

3.2.1. Классификация отделения цеха по взрывоопасной и пожарной опасности, санитарной характеристике производственных зданий, помещений и наружных установок.

Таблица 14

Классификация отделения цеха по взрывоопасной и пожарной опасности, санитарной характеристике производственных зданий, помещений и наружных установок

Наим. проиводст- венных зданий, помещений и наружных установок	Категория пожароопас- ности произ- водства СНИП 11-90-81	Степень огнестойкос- ти зданий по СНИП 2.01.02-85	Классификация зон внутри и вне помещений для выбора и установки электро-оборудования (ПУЭ)		Группа проивод- ственных процессов по сани- тарной характе- ристике (СНИП 2.09.04- 87)
			Класс взрыво- опасной или по- жаро- опасной зоны	Катего- рия и группа взрыво- опасных смесей
Отделение экструзии	«В»	V	П-11А	-	1В
Отделение прессования	«В»	V	П-11А	-	3Б

3.2.2. Пожаро-взровоопасные и токсические свойства сырья, полупродуктов, готового продукты и отходов производства.

Пенообразующие композиции на основе пенополиэтилена при комнатной температуре не выделяют в окружающую среду токсичных веществ и не оказывают при непосредственном контакте влияния на организм человека. Работа с ними не требует особых мер предосторожности.

Пожаро-взрывоопасные токсические свойства сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производства приведены в таблице 15.

Таблица 15

Пожаро-взрывоопасные токсические свойства сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производства

Наимено-вание сы- рья,гото- вой про- дукции, отходов производ- ства	Класс опас-ности (ГОСТ 12.1.007-76)	Температура				Кон- центра цион-ный предел воспламене-ния, г/м3		Характеристика токсичности (воздействие на организм чело- века)		ПДК вред- ных в-в в воз- духе рабо-чей зоны ГОСТ 12-005-88
		вспышки	воспламенения	самовоспламенения
Полиэти- лен	3	-	345	430	85		Не токсичен, не взрывоопасен, го- рюч. При перера- ботке возможно выделение:-формальдегида -ацетальдегида -окиси углерода -органических кислот		0,5 5,0 20,0 5,0

Окончание табл. 15

Порофор ЧХЗ-21	4	-	Взры во- опа- сен	Труд- новоспламе няем	-	Неопасен	0,5
Оксид цинка	2	-	-	Взры- вобе- зопа- сен	-	Неопасен	0,5
Стеарат цинка	3	315	По- жаро опа сен	900	17,6	Малотоксичен, твердое порошко-вообразное веще-ство белого цвета. Пыль оказывает раздражающее действие на кожу, слизистые оболоч ки.	10,0
Бис(трет- бутилпе- роксиизо- пропил) бензол						Твердые вещества в виде порошка, разлагается в процессе прессо- вания с образова- нием: -третбутилого спирта, -мета- и паради- оксидиизопропил- бензола	100 10

3.2.3. Наиболее опасными моментами в технологии производства пенополиэтилена при отклонении нормативного технологического режима являются:

а) Возможность поражения электрическим током при отсутствии или неисправности заземления, повреждения изоляции электропроводки и электрооборудования;

б) Возможность получения термических ожогов открытых участков тела при работе без полагающейся спецодежды и рукавиц вследствие попадания расплава материала на незащищенные участки тела и при контакте с неизолированными нагретыми поверхностями.

в) Возможность получения механических травм от вращающихся частей механизмов, при работе без ограждений, неисправной блокировке.

3.2.4. Условия безопасного ведения процесса:

В целях обеспечения обязательных условий безопасного ведения процесса, вызывающих возможность ожогов, травм, взрывов, отравлений необходимо:

а) к самостоятельной работе допускать рабочих, практически ознакомленных с правилами ведения работ на данной стадии, устройством агрегатов, инструкциями в сдаче экзаменов квалификационной комиссии;

б) соблюдать все нормы, установленные технологическим регламентом, инструкциями по технике безопасности, пожарной профилактики;

в) работа должна проводиться в спецодежде и индивидуальных средствах защиты (хлопчатобумажные костюмы мужские по ГОСТ 27575-873МИ и женские по ГОСТ 27574-873МИ, рукавицы ГОСТ 12.4.010-75, защитные очки ТИП-Г ГОСТ 12.4.013), иметь при себе противогаз марки БКФ ГОСТ 12.4.121, респиратор У-2К ТУ 6-16-2267-78, резиновые перчатки ГОСТ 20010-74 тип П;

г) во время работы следить за работой приточно-вытяжной вентиляции;

д) все вращающиеся и движущиеся части механизмов должны иметь глухие ограждения, иметь исправные блокировочные устройства;

е) пуск в работу и эксплуатация оборудования проводятся в соответствии с порядком, установленным инструкцией;

ж) технологическое оборудование, двигатели и пусковая аппаратура должны быть надежно заземлены;

з) перед чисткой или ремонтом оборудования дежурный электрик должен снять напряжение и на пусковых кнопках вывесить плакат «НЕ ВКЛЮЧАТЬ! Работаю люди»;

и) во избежание пожаров запрещается производить работы с открытым огнем в случаях скопления на рабочих местах большого количества сырья и готовой продукции.

3.2.5. При возникновении пожара:

- немедленно прекратить все работы и вывести людей из опасной зоны;

- отключить энергоснабжение отделения, в котором возникло возгорание;

- оставить приточно-вытяжную вентиляцию;

- сообщить в пожарную команду;

- организовать тушение пожара имеющимися средствами пожаротушения;

- возобновить работу после ликвидации пожара с получением письменного заключения комиссии, расследовавшей причины пожара.

В помещениях строго следить за чистотой помещения и оборудования, исключать скопление пыли.

3.2.6. Источниками шума и вибрации могут быть экструзионные линии, дробилки. Монтаж перечисленного выше оборудования проводится строго по паспортам.

3.2.7. Заряды статического электричества могут возникнуть на поверхности технологического оборудования и трубопроводов, при перемешивании массы в сушилке, при выгрузке продукта из сушилки, при экструзии. Для защиты от статического электричества и для предупреждения его возникновения применяют отвод зарядов путем заземления поверхностей, на которых могут накапливаться заряды статического электричества. Заземлению подлежит все электрооборудование, промежуточные емкости, трубопроводы, пневмотранспорт.

Удельное объемное электрическое сопротивление:

Полиэтилен – 1*10¹⁵ Ом*м

Пенообразующая композиция – 1*10¹⁵ Ом*м

Порофор ЧХЗ-21 – 4,3*10⁹ Ом*м

Оксид цинка – 3*10¹² Ом*м

Стеарат цинка – 6,3*10¹² Ом*м

Осмотр и измерение электрических сопротивлений заземляющих устройств для защиты от статического электричества должны проводиться одновременно с проверкой заземления электрооборудования цеховых установок.

Молниезащиту производства выполнять согласно действующим правилам.

Заключение

В данном курсовом проекте проведены исследования процесса вспенивания полиэтиленовых композиций с целью выявления основных закономерностей получения сшитого высоковспененного материала. Установлена взаимосвязь процессов газовыделения и сшивания.

Изучена кинетика термического разложения АДА в полиэтиленовой композиции и влияние на его термораспад сшивающего агента и катализаторов.

Обоснован выбор и концентрация компонентов каталитической системы, служащей для регулирования температуры и скорости разложения АДА. Найдено, что совместное применение стеарата цинка с окисью цинка вызывает только снижение температуры разложения АДА в узком температурном интервале. Добавка стеариновой кислоты регулирует скорость разложения АДА, что способствует вспениванию полиэтилена с постоянной скорость в широком диапазоне температур 150 – 170 °С без опасности перегрева.

Для получения сшитого высоковспененного полиэтилена с однородной мелкоячеистой структурой изучены эффективность и степень сшивания полимера перекисью дикумила. Установлена оптимальная степень сшивания полиэтилена, равная 40 – 60% нерастворимой гель – фракции, что соответствует 0,5 – 1,0 в.ч. перекиси дикумила в полимере. Увеличение степени сшивания более 60% приводит к получению пенопласта с очень мелкоячеистой структурой и кажущей плотностью, равной 0,08 – 0,1 г/см³.

Изучены свойства пенополиэтилена, полученного прссовым методом, в зависимости от количества АДА и перекиси дикумила. С увеличением степенни сшивания полиэтилена (от 10 до 80% нерастворимой гель – фракции) повышается способность пенопласта к сопротивлению деформации и ползучести и более быстрому восстановлению после снятия нагрузки.

Список использованных источников

1) Голосов А.П., Динцес А.И. «Технология производства полиэтилена и полипропилена». – М.: Химия, 1978.

2) Макаров В.А., Контенармусов В.Б. «Промышленные термопласты: Справочник» – М.: АНО «Издательство «Химия»», «Издательство «КолосС»», 2003

3) «Полиэтилен высокого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза» / А.В. Поляков. Ф.И. Дунтов, А.Э. Софиев и др. - Л.: Химия, 1988. - 200 с.

4) Коршак В.В. Технология пластических масс / В.В. Коршак. – М.: Химия, 1972.

5) «Берлин А.А. Основы производства газонаполненных пластмасс и эластомеров» - Москва, Госхимиздат, 1954. - 191 с.

6) Полиэтилен высокого давления. Технические условия. ГОСТ 16337-77

7) Методические указания к выполнению курсового и дипломного проектов по теме «Проектирование производств по переработке пластмасс методом прессования» / Владим. гос. ун-т; Соств.: З.А. Кудрявцева. Владимир, 1999, 48с.

8) Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей. В 3-х томах / Под ред. Н.В. Лазарева, Э.Н. Левиной - Т. 1-2. - Изд. 7-е, пер. и доп. – Л.: Химия, 1976. – 1216 с.

9) Стрепихеев. А.А., Деревицкая В. А. Основы химии высокомолекулярных соединений. Изд. 3-е, пер. и доп. – М.:»Химия», 1976. – 440 с.

10) Бортников В. Г. Основы технологии переработки пластических масс: учебное пособие для вузов. – Л.:Химия, 1983. – 304 с.

11) Завгородний В. К., Калинчев Э. Л., Махаринский Е.Г. Оборудование предприятий по переработке пластмасс. – Л.: Химия, 1972. – 464 с.

12) Энциклопедия полимеров. Ред. коллегия: В. А. Каргин (глав. ред.) и др. М.: Советская Энциклопедия, 1972г.

13) Козлов Н. А. Нормоконтроль и оформление дипломных и курсовых проектов, дипломных работ и выпускных квалификационных работ бакалавров/ Владим.гос.ун-т,2008г.-120с.

14) Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. – М.:Химия, 1985г,400с.

15) Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Проектирование производств по переработке пластмасс» / Владимирский политехнический университет; сост.: А. Ф. Ковалев, З. А. Кудрявцева и др. Владимир, 1993г, 32с.

Код для цитирования: Скопировать