ВВЕДЕНИЕ
Одно из перспективнейшихнаправлений сегодня в области упаковки в России – ПЭТ-тара. Как это неудивительно, но эта тенденция на отечественном рынке полностью соответствуетобщемировым тенденциям развития рынка тары и упаковки. Практически во всехразвитых странах, производство и спрос на пластиковую тару в последнее времязначительно увеличивается.
Пластиковые бутылки, каки другие разновидности тары, относятся, в соответствии с рыночнойклассификацией, к промышленным товарам, то есть товарам, чьими потребителямиявляются производственные предприятия, создающие в свою очередь товары илиуслуги для потребительского рынка. Особенность промышленных товаров – высокаязависимость от развития рынка конечного продукта, в данном случае, от рынкапродукции, подлежащей розливу в ПЭТ-тару. Основные области примененияпластиковых бутылок в качестве тары общеизвестны:
–пищевая промышленность(слабоалкогольные напитки, лимонад, минеральная вода, растительное масло и пр.)
– косметическаяпромышленность (шампунь, жидкое мыло, пена для ванны и прочее),
–медицина.
Но наибольший спросследует отметить со стороны производителей продуктов питания и напитков. Хотьздесь и начинаются настолько привычные уже нам отличия российского рынка отевропейского. Одни из крупнейших покупателей пластиковых бутылок или преформ –производители слабоалкогольных напитков, особенно пива. Так вот если вевропейских странах традиционной упаковкой пива является стекло и жестяныебанки, то в России особый интерес производители пива стали с некоторых порпроявлять именно к пластиковой таре. По данным маркетингового агентства«Бизнес-аналитика», потребление пива в пластиковой таре увеличилось с 10% в1999 году до 17% в 2000 году, то есть возросло на 70%.
Преимуществапластмассовых бутылок очевидны: имея основные свойства стеклянных бутылок(прозрачность, сопротивление воздействиям окружающей среды, пара и кислорода,проникновению посторонних запахов и т.д.), они, бутылки из ПЭТ), намного легчеи не подвержены механическим воздействиям. Кроме того, пластмассовые бутылкимогут перерабатываться для повторного использования.
Из большого числапластмассовых бутылок выделяются бутылки, изготовленные изполиэтилентерефталата (ПЭТ), для минеральной воды, газированных и спокойныхнапитков, соков, пива, спиртных напитков, масла, уксуса и т.д.
ПЭТ являетсяисключительно безопасным материалом с точки зрения экологии. Материал безвреденпри его использовании в пищевой упаковке, так как не содержит токсичныхвеществ, способных проникать в пищу при хранении.
В целом рынок ПЭТ-бутылокоценивается специалистами в 4,3-4,5 млрд. пластиковых бутылок в год. Экспертыпрогнозируют дальнейшее увеличение спроса и предложения на ПЭТ-упаковку.Во-первых, благоприятно развиваются пищевая промышленность в целом и соответствующиеотрасли в частности, во-вторых, некоторые свойства пластиковой тары простоуникальны. Перспективность этой упаковки очевидна, учитывая такие качестваПЭТ-упаковки, как эстетичность (возможны вариации в форме и цвете пластиковыхбутылок), удобство для производителей (удобство процесса упаковки), продавцов(пластиковая тара удобнее при транспортировке – низкий вес, гибкость) ипотребителей (удобство использования.), низкую стоимость, экологическую чистотуэтой упаковки.
Вопрос экологичностиПЭТ-тары особенно актуален сегодня в развитых странах, где сбор и утилизациямусора, является не менее прибыльным занятием, чем производство продукции. Темболее, структура сбора мусора у населения основана на сортировке использованнойтары, что облегчает процесс сбора и утилизации пластиковой упаковки заграницей.В нашей стране, к сожалению, переработка пластиковой тары в этом планенесколько затруднена. Термин «вторичное использование» подразумеваетсяроссийскими предпринимателями в буквальном плане. Например, в конце июня этогогода в Воронеже главный санитарный врач Михаил Чубирко подписал постановление«О запрещении повторного использования бутылок из преформы ПЭТ при продажепищевых продуктов», так как повторное использование пластиковой тары можетстать причиной отравления.
Технология производствапластиковой тары такова: на первом этапе из полимерного гранулята изготавливаютпреформы, которые на следующем этапе выдуваются с помощью специальногооборудования. Пластиковые преформы в нашей стране производятся, в то время какнайти отечественного поставщика гранулята достаточно проблематично. Тем болеетребования к качеству гранулята достаточно высоки, от него зависят показателикачества пластика – прочность, гибкость, жаростойкость, скорость переработки,вязкость, прозрачность), а следовательно, и качество готовой пластиковойупаковки. Поэтому гранулят чаще покупается российскими производителями преформза границей.
Учитывая уникальныехарактеристики пластиковой тары и темпы роста популярности этого типа упаковкив других странах, можно сделать прогноз о росте использования пластиковой тарыв нашей стране в целом. Российские предприятия сегодня стремятся к наращиваниюпроизводственных мощностей и увеличению объемов производства пластиковыхпреформ в соответствии с потребностями рынка. Единственное слабое место в этойцепочке – отсутствие предложения качественного отечественного гранулята всоответствующих объемах, но остается надежда, что столь перспективноенаправление, как производство полимерного гранулята, не останется без вниманияпредприимчивых инвесторов.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Развитие рынка полиэтилентерефталата. Конкурирующиематериалы
МировоеПроизводство пластмасс возрастает на 5-6 % ежегодно и, по прогнозам, к 2010 г. достигнет 250 млн. тонн. Причем, наиболее быстро развивающимся сегодня является рынокполиэтилентерефталата (ПЭТ).
Запоследние 10 лет число мировых производителей ПЭТ удвоилось. С начала 1990-хгодов двадцатого века по настоящее время наблюдается интенсивное развитиемирового производства ПЭТ. С 1990 по 1995 гг. темпы мирового спроса на ПЭТ всреднем составляли 15 % в год, с 1995 по 2000 гг. рост в среднем составлял уже20 % ежегодно. Последние несколько лет рост мирового рынка ПЭТ составляет всреднем 10 % в год /1/.
Материалыиз ПЭТ были разработаны в начале 1940-х годов и с тех пор показалиуниверсальность их применения в легкой, пищевой промышленности, в станко — иприборостроении, в машиностроении, в медицине и фармацевтике и т.д.
ПЭТ теперь являетсянаиболее широко применяемым материалом для производства бутылок. Бутылка вкачестве безвозвратной тары наиболее популярна во всем мире; напротив,подлежащие возврату пластмассовые бутылки не нашли значительного применения.Спрос на ПЭТ-бутылки начал расти благодаря их применению для напитков, особеннодля газированных безалкогольных напитков, минеральной воды и других, что вобщей сложности составляет 80 % (тогда как пищевые продукты до 10 %) от общегообъема ПЭТ, применяемого в упаковке. Рост применения ПЭТ явился результатом,главным образом, замены существующей упаковки; для газированных напитков онзаменил стекло и, в меньшей степени, металлическую тару, а для воды он заменилполивинилхлорид (ПВХ) и стекло. Неясно, будет ли упаковка пива в ПЭТпрогрессировать быстрее рынка. Прогнозируемый рост для упаковки пива вПЭТ-бутылках приблизительно 10 % в год в последующие пять лет.
С развитием технологийпереработки ПЭТ стал подходящим упаковочным материалом для более разнообразныхконечных применений. С развитием технологий переработки ПЭТ стал подходящимупаковочным материалом для более разнообразных конечных применений. Разработкииспользования полимеров с высокими барьерными свойствами по отношению к газу,проводятся множеством компаний. Они включают поливиниловый спирт (ПВС), полиамиды (ПА, найлоны) в многослойных структурах,покрытия с органическими материалами, использование по- ливинилиденхлорида(ПВДХ), эпоксиаминов в качестве внешних покрытий ПЭТ-бутылок, неорганическиепокрытия, включая кварц и оксид кремния, и покрытия плазменным напылениемуглерода и оксида кремния как изнутри, так и снаружи в ПЭТ-бутылках. Этиразработки расширят рынок ПЭТ для фасовки напитков, требующих высоких барьерныхсвойств, причем главной целью является упаковка пива, для которого сейчаспреобладает стеклянная и металлическая тара. Существует также много примененийдля упаковки пищевых продуктов, особенно продуктов детского питания, которые внастоящее время в значительной степени упаковывают в стеклянную и металлическуютару. Новейшие разработки с жидкокристаллическими полимерами (ЖКП), акцепторамикислорода и нанокомпозитами расширят потенциал применимости ПЭТ.
Роль высокобарьерныхполиэфиров, таких как полиэтиленафталат (ПЭН),альтернативного ПЭТ, была пока незначительной. ПЭН имеет лучшие барьерные итермические свойства, но более дорог, и его барьерные свойства по отношению кгазу не настолько хороши, как у многих многослойных и с нанесенным покрытиемматериалов на основе ПЭТ. Модификация различных марок ПЭТ сополимеризацией иливведением добавок позволила перерабатывать этот полимер с большейпроизводительностью и, следовательно, большей экономичностью выдувнымформованием на лучших перерабатывающих машинах и может также привести кснижению образования ацетальдегида (АА) для упаковки чувствительных к ААпродуктов, типа минеральной воды. Модифицированные марки ПЭТ и новыетехнологические процессы, использующие горячеканальные формы и криогенноеохлаждение для увеличения теплостойкости, расширяют применение ПЭТ для горячегозаполнения напитков и пищевых продуктов.
С 1960-х гг. для упаковки пищевыхпродуктов применялся ПВХ. Во Франции возможность развития рынка упаковки из ПВХдля пищевого растительного масла появилась из-за трудности мойки стекляннойвозвратной тары. ПВХ считался лучшим доступным полимерным материалом из-за егопрозрачности, хорошей маслостойкости, низкого привкуса, запаха и цены. К концу1960-х гг., когда было получено официальное разрешение на упаковку воды, воФранции в ПВХ-бутылки также стала упаковываться родниковая вода. Другие страныЕвропы последовали за Францией, и ПВХ оставался основным полимерным материаломдля упаковки негазированной воды, соков, вина и пищевых масел в течение 20 лет,пока ему не был брошен вызов со стороны производителей ПЭТ. Жесткий ПВХ — аморфныйполимер с хорошей жесткостью, прозрачностью и химической стойкостью и хорошимибарьерными свойствами по отношению к газу. Большая часть ПВХ перерабатываетсяэкструзионно-раздувным формованием и с появлением полимеров с высокоймолекулярной массой, двухосной ориентацией для него открылся рынок упаковкигазированной воды и безалкогольных напитков /1/.
В числе барьерныхполимеров в 1960-х гг. фирма Monsanto разработаламатериал Lopac (AN/S), сополимер акрилонитрила и стирола (70/30). Первоначальнобутылки получали экструзионно-раздувным формованием и литьем под давлением споследующим выдувом. Также возможна переработка с двухосной ориентацией;бутылки могли быть получены растяжением при раздуве преформ на оборудовании Monsanto. AN/S имеет превосходные барьерные свойствапо отношению к газу, высокую твердость и превосходную прозрачность и химическуюстойкость. В Monsanto разработали ориентированные Cycle-Safe бутылки из смолы Lopac. Для Cycle-Safe бутылокс высокими барьерными свойствами, жесткостью, возможностью повторногозаполнения позже, в 1984 г. было получено подтверждение PDA на использование их длябезалкогольных напитков. В Connecticut Technical Centre фирмы Monsanto установили промышленную линию для производства бутылок на 64 унции производительностью 125 бутылок в минуту с ежегодным объемом выпуска 50 млн. штук. Линиясостояла из раздувной машины SBC 100,соединенной с литьевой машиной, установки для облучения электронным пучком иустановки энергоснабжения. В Monsanto высокооценили возможности рынка повторно заполняемых Cycle-Safe бутылокдля безалкогольных напитков, потому что никакой другой полимерный материал необладал жесткостью и теплостойкостью для мытья горячим раствором каустическойсоды.
Monsanto предложила лицензии на технологиюполучения возвратных Cycle-Safe бутылок и определила потенциальнуювозможность их использования для упаковки пива.
Основной патент описываетупаковочные материалы на основе сополимера акрилонитрила с содержанием его впределах 55-90 % масс., с высокой стойкостью к кислороду и водяному пару, чтопридает улучшенные свойства упаковочному материалу. Другие патенты описываютиспользование акцепторов цианида водорода (HCN), таких как формальдегид, которые поглощаютвыделяемый HCN из расплава сополимера.
Также описываетсяиспользование облучения пучком электронов низкой интенсивности для удаленияостаточного нитрильного мономера из преформ перед раздувным формованием, чтобыгарантировать соответствие требованиям PDA и устранение изменения вкуса содержимого бутылки, обеспечиваявозможность этой тары для упаковки пищевых продуктов. Смола Lopac была полимером, который подходил дляупаковки пищевых продуктов и напитков. Он имел более низкую плотность, чем ПВХи ПЭТ, идеальную для облегченных бутылок. Он мог подвергаться двухоснойориентации, как указанные материалы. Также он обладал высокой прозрачностью,сопоставимой с ПЭТ, и лучшей, чем у ПВХ. Дополнительными преимуществами былиего более высокие теплостойкость и барьерные свойства по отношению к газу посравнению с ПВХ и ПЭТ.
Приблизительно в то жевремя в США появился другой сополимер акрилонитрила для упаковки пищевыхпродуктов — Ваrех, модифицированный каучуком сополимер акрилонитрила иметилакрилата. Материал был разработан фирмой SOHIO (StandardOil Company, штат Огайо).Модификация каучуком используется для повышения ударных свойств, в противномслучае свойства подобны сополимеру AN/S, спревосходной прозрачностью, химической стойкостью, высокой жесткостью и отличнымибарьерными свойствами по отношению к газу. Вагех 210 (AN/MA), сополимер акрилонитрила иметилакрилата (75/25), легко перерабатывается на обычных машинах раздувногоформования, используемых для формования жесткого ПВХ. Также возможна двухоснаяориентация. В 1979 г. несколько цилиндрических бутылок были произведены намашине фирмы Sidel (Solvay/Sidel ВАР) из Ваrех инитрильных сополимеров Soltan фирмыSolvay для пастеризованного пива «Fischer» во Франции. Смола Ваrех получила разрешение PDA для применения в упаковке пищевыхпродуктов (но не для прямого контакта с напитками), однако бутылки из нее неподходили для горячего заполнения.
Далее следуетрассмотрение альтернативных полимеров, ПВХ и сополимеров акрилонитрила с ПЭТ, иосновных вопросов упаковки. Для ПВХ и сополимеров акрилонитрила проблемойявляются остаточные мономеры: винилхлорид и акрилонитрил показали, чтопотенциально обладают вредным влиянием и их миграция из упаковки в продуктдолжна быть снижена до очень низкого уровня. В общем, проблема остаточногомономера в ПЭТ является незначительной и более контролируемой. Барьерныесвойства сополимеров по отношению к газу намного лучше, чем у ПВХ и ПЭТ.
Сополимеры акрилонитрилане настолько жесткие, как ПВХ и ПЭТ. Ориентация улучшает физические и барьерныесвойства и придает жесткость, достаточную для большинства упаковочныхприменений. Все три полимера имеют относительно низкую теплостойкость.Сополимеры акрилонитрила и ПВХ могут перерабатываться литьем под давлением,экструзией и экструзионно-раздувным формованием.
ПЭТ лучше подходит длялитья под давлением; экструзионно-раздувное формование возможно только прииспользовании марок с очень высокой молекулярной массой. ПЭТ очень чувствителенк влаге во время переработки и будет быстро разлагаться, если материал былнеправильно высушен. ПВХ и сополимеры акрилонитрила менее подвержены действиювлаги, но более чувствительны к термодеструкции при переработке. Визуально ПЭТявляется прозрачным и имеет хороший цвет и глянец, в большей степени, чем ПВХ.Сополимер акрилонитрила со стиролом AN/S имеет хорошую прозрачность, твердостьи, из альтернативных полимеров, имеет визуальное и ощутимое восприятие, сходноесо стеклом. Сополимеры акрилонитрила/метилакрилата включают компонент, которыйухудшает прозрачность, цвет и глянец, но улучшает ударную вязкость. ПЭТ имеетбелый оттенок; ПВХ и оба сополимера акрилонитрила — желтоватый.
ПВХ применялся в течениекакого-то времени, но сейчас полностью заменен ПЭТ. Сополимеры акрилонитрила нерегенерируются из-за остаточного мономера, смола Lopac исчезла с рынка, в то время как Ваreх нанем представлен. Рассмотрев и сравнив свойства полимеров и сополимеров приходимк выводу что лучше всего для производства газированных напитков и пива, т.е неочень чувствительных к кислороду напиткам, идеально подходит ПЭТ. По сравнениюс другими перечисленными полимерами он обладает низкой стоимостью и в отличиеот ПВДХ может перерабатываться литьем под давлением.
1.2Производство ПЭТ
Сырьем дляпроизводства ПЭТ обычно служит диметиловый эфир терефталевой кислоты сэтиленгликолем. Получают полиэтилентерефталат поликонденсацией терефталевойкислоты (бесцветные кристаллы) или ее диметилового эфира с этиленгликолем(жидкость) по периодической или непрерывной схеме в две стадии. Потехнико-экономическим показателям преимущество имеет непрерывный процессполучения ПЭТ из кислоты и этиленгликоля. Этерификацию кислоты этиленгликолем(молярное соотношение компонентов от 1:1,2 до 1:1,5) проводят при 240-270 оСи давлении 0,1 — 0,2 МПа.
Обычноматериал с более низкой молекулярной массой (М — 20 000) применяется дляизготовления волокон; в других приложениях используется материал с болеевысокой молекулярной массой.
Полученнуюсмесь бис-(2-гидроксиэтил)терефталата с его олигомерами подвергаютполиконденсации в нескольких последовательно расположенных аппаратах,снабженных мешалками, при постепенном повышении температуры от 270 до 300 оСи снижении разряжения от 6600 до 66 Па.
Послезавершения процесса расплав полиэтилентерефталата выдавливается из аппарата,охлаждается и гранулируется или направляется на формование волокна. Матирующиеагенты (TiO2), красители, инертные наполнители (каолин, тальк), антипирены,термо- и светостабилизаторы и другие добавки вводят во время синтеза или вполученный расплав полиэтилентерефталата.
Достигнутаярегулярность строения полимерной цепи повышает способность к кристаллизации,которая в значительной степени определяет механические свойства. Фениленоваягруппа в основной цепи придает жесткость скелету и повышает температурустеклования и температуру плавления. Химическая стойкость ПЭТ близка к таковойу полиамидов, и он проявляет очень хорошие барьерные свойства. ПЭТ обладаетспособностью существовать в аморфном или кристаллическом состояниях, причемстепень кристалличности определяется термической предысторией материала.
При быстром охлаждении ПЭТ аморфен и прозрачен, при медленном – кристалличен(до 50%).
Товарный ПЭТвыпускается обычно в виде гранулята с размером гранул 2-4 миллиметра. ПроизводителиПЭТ в основном находятся за пределами России и СНГ.
/>
Рис.1.1Реакция поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля при получении ПЭТ.
1.3Характеристика и технологические свойства ПЭТ
ПЭТ имеетвысокую химическую стойкость к бензину, маслам, жирам, спиртам, эфиру,разбавленным кислотам и щелочам. Полиэтилентерефталат не растворим в воде имногих органических растворителях, растворим лишь при 40-150 град. С в фенолахи их алкил- и хлорзамещенных, анилине бензиловом спирте, хлороформе, пиридине,дихлоруксусной и хлорсульфоновой кислотах и др… Неустойчив к кетонам, сильнымкислотам и щелочам.
Имеетповышенную устойчивость к действию водяного пара.
Аморфныйполиэтилентерефталат – твердый прозрачный с серовато-желтоватым оттенком,кристаллический – твердый, непрозрачный, бесцветный. Отличается низкимкоэффициентом трения (в том числе и для марок, содержащих стекловолокно).Термодеструкция ПЭТ имеет место в температурном диапазоне 290-310 оС.Деструкция происходит статистически вдоль полимерной цепи; основными летучимипродуктами являются терефталевая кислота, уксусный альдегид и монооксидуглерода. При 900 °С генерируется большое число разнообразных углеводородов; восновном летучие продукты состоят из диоксида углерода, монооксида углерода и метана.Для предотвращения окисления ПЭТ во время переработки можно использоватьширокий ряд антиоксидантов.
Длина макромолекулярнойцепочки определяет молекулярную массу материала, его свойства и применение.Характеристическая вязкость — практическая мера молекулярной массымакромолекул. Она определяет потенциальное применение сырья, основанное насвойствах и условиях технологического процесса. Характеристическая вязкостьописывает структуру цепочки, которая может содержать гомополимер (обычнолинейная цепочка) или сополимер с ответвлениями основной линейной цепочки.Длина и сложность ответвлений цепочки могут изменяться и влиять нахарактеристическую вязкость так, что гомополимер с вязкостью 0,78 будетрастягиваться совсем не так, как сополимер, имеющий такую же вязкость.Технологические свойства этих материалов различны: например, растягивание,режим растягивания, интенсивность плавления и температурный режим.
В табл. 1.1 приведенысвойства ПЭТ, относящиеся к процессу производства тары и ее свойствам. Некоторыепараметры меняются в зависимости от производителя и класса полимера.
Таблица 1.1 Свойства ПЭТСвойства полимера Единица измерения Величина Характеристическая вязкость
г/см3 0,800 Плотность кристаллической фазы
г/см3 1,400 Плотность аморфной фазы
г/см3 1,335 Объемная (насыпная) плотность
г/см3 785 Молекулярная плотность: К 26 000 к, 52 000 Степень кристалличности % 50 Температура плавления
оС 245 Теплота плавления кДж/кг 59 Удельная теплопроводность Вт/(м•К) 0,25 Удельная теплоемкость кДж/(м•К) 0,27 при температуре окружающей среды:
при 100 oС кДж/(м•К) 0,36
при 280 oС кДж/(м•К) 0,49 Свойства материала в таре: толщина стенок мм 0,30 плотность
г/см3 1,363 Степень кристалличности % 25 Предел текучести: кольцевое направление МПа 172 осевое направление МПа 69 Предел прочности при растяжении: кольцевое направление МПа 193 осевое направление МПа 117 Модуль упругости при растяжении: кольцевое направление МПа 4,275 осевое направление МПа 2,206 Скорость влагопроводности
г/м2/24 ч 2,3 Скорость газопроводности:
О2
см3/м2/24 ч 31,0 СО,
см3/м2/24 ч 6,2
/>
Рис. 1.2 Плотность истепень кристалличности
ПЭТ — частичнокристаллический полимер с уровнем кристаллизации до 50 %. Кристаллизация — эторасположение молекулярной цепочки в правильной геометрической зависимости. ПлотностьПЭТ при комнатной температуре является мерой кристалличности (рис. 1.2).
Дифференциальнаякалориметрическая кривая на рис. 1.3 определяет 4 основные области,характеризующиеся диапазоном температур:
• температурустеклования (
• высокоэластичное/каучукообразноесостояние (85-120 °С);
• диапазонкристаллизации (120-200 °С);
• температуруплавления (> 255 °С).
/>
Рис. 1.3 Дифферинциальнаякалориметрическая кривая ПЭТ.
Важно понимать, что этотдиапазон температур влияет на свойства готовой бутылки и условия процесса.Переход между областями не очень явный, переходы при температуре стеклования ипри температуре плавления выражены наиболее резко.
Обычно тара недеформируется ниже температуры стеклования 60-75 С. Выше температурыстеклования можно деформировать ПЭТ-бутылку, хотя действуют силы,восстанавливающие форму (типа термически индуцированной кристаллизации).
Диапазон температурвязко-эластичности важен для двухстадийного выдува, в процессе котороговозникает напряжение, приводящее к деформации материала до точкидеформационного упрочнения. В результате получается однородная толщина стенокбутылок. Напряжение в материале, вызванное деформацией, зависит как оттемпературы, так и от скорости деформации. Чем выше деформация, тем вышенапряжение, ограниченное максимальным коэффициентом растяжения. Чем вышетемпература деформации, тем ниже напряжение, что приводит к максимальномукоэффициенту растяжения.
В оптимальном процессерастяжения достигается правильный баланс между температурой, скоростьюрастяжения и допустимым коэффициентом растяжения, который находится за точкойдеформационного упрочнения, но перед точкой разрыва молекулярной цепочки.Процесс растяжения вызывает деформационное упрочнение, которое приводит к тому,что прочность материала в каждой точке готового изделия выше его исходнойпрочности. Чем шире диапазон температур, тем легче и последовательнее процесс,определяющий рабочий диапазон двухстадийного выдува, в результате котороговозникает двухосная ориентация материала.
Напряжение вызываетструктурное выравнивание молекул в ПЭТ, а затвердевание во время охлажденияматериала ниже температуры стеклования и наделяет ПЭТ особыми свойствами. Этовыравнивание и называется ориентацией. Ориентация частично обратима и вызываетувеличение плотности, тем самым, больше похожа на кристаллизацию под действиемтемпературы. Однако эффект ориентации иной — молекулярная структура изменяется,обеспечивая другие свойства бутылки. Ориентация, вызванная механическимспособом, используется для достижения некоторого уровня кристаллизации.Свойства механически вызванной ориентации и кристаллизации, вызваннойтемпературой, существенно отличаются.
Кристаллизация ПЭТявляется результатом воздействия высоких температур, которые выше температурывысокоэластичности ПЭТ. Однако часто этот диапазон температур можетперекрываться в зависимости от сорта полимера, делая процесс более деликатным,- материал может начать кристаллизоваться во время повторного нагрева додостижения температуры высокоэластичности. Максимальная скорость кристаллизациидостигается обычно при температуре около 160 °С. Этот экзотермический процессможно наблюдать на дифференциальной калориметрической кривой (рис. 1.2). Оннеобратим, если материал переходит в область температуры плавления.
Кристаллизациясополимеров обычно отличается от кристаллизации гомополимеров, при этомповедение самих сополимеров также различается. Процесс кристаллизацииинициируется центрами нуклеации (зародышеобразования). Кристаллизацияраспространяется от этих центров, образуя много маленьких кристаллов илинемного больших. Агенты нуклеации добавляются к материалу для увеличенияскорости кристаллизации, а ингибиторы, наоборот, замедляют этот процесс.Качество ПЭТ безусловно очень важно, но также важна цена модификации полимера.
Выше температурыплавления ПЭТ не прочный материал и легко деформируется. Распадмакромолекулярных цепочек начинается при температуре около 300 оС, апри температуре выше 350 оС ПЭТ полностью разрушается. Лучшимусловием считается, когда технологический процесс происходит при температуревыше температуры плавления или максимально приближен к ней. При плавлении ПЭТвыделяет ацетальдегид (АА), который образуется в результате процесса деградациичасти молекулярной цепочки. Он может собираться внутри материала и выходитьнаружу со временем. Это может придавать привкус продукту, расфасованному вПЭТ-упаковку, которая изготовлена из преформы с высоким содержанием АА.
Влага, адсорбированнаяПЭТ, также влияет на деградацию молекулярной цепочки. Поэтому необходимтщательный контроль за хранением полимера, преформ и бутылок. Рекомендуемыеусловия хранения: температура 20 °С и влажность менее 60 %. Преформы, которыехранятся больше трех месяцев, начинают стареть, что приводит к изменению ихсвойств. Готовые бутылки следует хранить не больше недели./>
1.4 Ацетальдегид и его влияние на свойства ПЭТ
Ацетальдегид (АА) —вещество, выделяемое в небольших количествах при плавлении ПЭТ. АА способен кдиффузии из стенок бутылок и влияет на вкус напитков, поэтому необходимоконтролировать его выделение во время производства преформ. АА выделяется приполимеризации ПЭТ в расплаве и переходит в твердое аморфное состояние приохлаждении и грануляции. Частично АА выделяется во время твердофазнойполимеризации, и в исходных гранулах может оставаться до 1,5 ррm (миллионной доли) ацетальдегида.Такое же количество АА выделяется при выдуве ПЭТ, а при литье выделяется большеАА. Образование АА не связано со сколько-нибудь заметной потерей внутреннейвязкости, а является следствием перехода АА из твердого раствора в газообразноеи/или жидкое состояние при высоких температурах. Это означает, что количествовыделенного АА может быть уменьшено, если выбрать оптимальные условия литья, тоесть минимизировать температуру. Поэтому необходимо обеспечивать:
• низкуютемпературу цилиндра;
• минимизироватьскорость шнека, противодавление, скорость впрыска — все факторы, приводящие кдополнительному диссипативному выделению тепла;
• минимизироватьвремя плавления (чем меньше время, тем лучше), так как чем больше ПЭТ находитсяпри повышенной температуре, тем больше выделяется АА.
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕСПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА
Выбор способапроизводства определяется, прежде всего, по конструкторскому оформлению изделия(погонажные и штучные) и по свойствам выбранного полимерного материала.
В проектируемомпроизводстве используется ПЭТ для производства преформ. ПЭТ можноперерабатывать как экструзией, так и литьем под давлением. Литьем под давлениемпроизводят штучные изделия, а экструзией погонажные. Получение преформ можетпроходить при одностадийной и двухстадийной схемах.
Одностадийная схема — изготовление при помощи инжекционно-литьевой машины специальных заготовок, называемыхпреформами. После чего преформы, минуя станции охлаждения, подаются на выдув.
Такая схема позволяетэкономить энергию и сокращает потребность в упаковочных материалах.Недостатками этой схемы является то, что производительность выдувногооборудования лимитируется производительностью инжекционно-литьевой машины, принеполадках останавливается все производство, требуются значительно большиеплощади под оборудование и склады готовой продукции, так как конечным продуктомодностадийной схемы производства является бутылка, которая по своим размерам иобъему значительно превышает размеры преформ. Также недостатком данной схемыпроизводства является большое количество отходов (до 35%).
При двухстадийной схемепроизводство преформ и бутылок между собой не связано. Преформы производятсяспециализированными предприятиями и реализируют на рынок самостоятельный товар.При двухстадийной схеме остается меньше производственного брака, аследовательно, затрачивается гораздо меньше сырья /3/.
Следовательно, для переработкиПЭТ подходит литье под давлением с использованием двустадийной схемыпроизводства.
Литье под давлениемявляется наиболее распространенным в переработке большинства промышленныхтермопластов. Его, но несравненно реже, используют также для изготовлениядеталей из некоторых разновидностей реактопластов. К основным достоинствамлитья под давлением относятся: универсальность по видам перерабатываемыхпластиков, высокая производительность в режиме автоматизированного процесса,высокая точность получаемых изделий, возможность изготовления деталей весьмасложной геометрической формы, недостижимой при использовании любых другихтехнологий. Кроме того, литьем под давлением производят изделия армированные,гибридные, полые, многоцветные, из вспенивающихся пластиков и др. Методпозволяет формовать изделия массой от долей грамма до десятков килограммов.Известны примеры производства литьем под давлением деталей механизмов ручныхчасов (масса 0,006 г), оконных блоков и даже фрагментов ванных комнат сустановленной арматурой (масса до 150 кг). Органической особенностью метода является его цикличность, что, в общем, сдерживает производительность этогопроцесса, по сравнению с непрерывными технологиями.
Принципиально, сутьтехнологии литья под давлением состоит в следующем. (рис. 2.1.) Расплав полимераподготовлен и накоплен в материальном цилиндре литьевой машины (в данном случае- червячного типа) к дальнейшей подаче в сомкнутую форму (позиция а). Далее,материальный цилиндр смыкается с узлом формы, а пластикатор (в данном случае — невращающийся червяк) осевым движением со скоростью Voc перемещаетрасплав в форму (позиция б). В результате осевого движения червяка формазаполняется расплавом полимерного материала, а пластикатор смещается в крайнеелевое (на рисунке 2.1 позиция в). Далее расплав в форме застывает (или отверждается- в случае реактопластов) с образованием твердого изделия (позиция г). Материальныйцилиндр продолжает оставаться в сомкнутом с системой формы положении. В этойситуации червяк начинает вращаться, подготавливает и транспортирует расплав впереднюю зону материального цилиндра и при этом отодвигается назад. Посленакопления требуемого объема расплава вращение червяка прекращается. Он занимаетисходное к дальнейшим действиям положение. После завершения процессазатвердевания (отверждения) пластмассы форма размыкается, и изделие удаляетсяиз нее (позиция д).
Для облегчения съемаизделия материальный цилиндр может к этому моменту отодвинуться от узла формы.Далее цикл литья под давлением повторяется.
/>
а)
/>
б)
/>
в)
/>
г)
/>
д)
Рис.2.1 Схема процессалитья под давлением
Конструкция литьевой машиныобязательно включает: блок подготовки расплава и его подачи в форму (инжекционныйузел); блок запирания (и размыкания) формы в виде прессового устройства сползуном (узел смыкания); блок привода, обеспечивающего все виды движенияподвижных устройств оборудования и оснастки; устройство управления литьевоймашиной, реализующее требуемую последовательность взаимодействия блоков,силовых и кинематических узлов, а также температурные, скоростные, нагрузочныепараметры, обеспечивающие оптимальный режим работы оборудования /3/.
Литьевые машины являются сложными инедешевыми устройствами, насыщенными современными техническими решениями.
Применение литьевых машин дляреализации технологии литья под давлением требует квалифицированного технико-экономическогообоснования, главные элементы которого: крупнотиражность и геометрическаясложность изделия, доступность и достаточность по технологическим,физико-механическим и эксплуатационным свойствам полимерного материала,выбранного для производства.
Современные литьевые машины (ЛМ)представляют собой сложные технические устройства, оснащенные разнообразнымисредствами автоматизированного управления параметрами технологическогопроцесса. Нередко их называют термопластавтоматами (ТПА) илиреактопластавтоматами (РПА) в зависимости от вида основного перерабатываемогоматериала /3/.
Конструкции литьевых машин весьмаразнообразны. Основными классификационными признаками ЛМ являются усилиезапирания формы (кН), то есть смыкания формы, создаваемое прессовым блоком, и объемвпрыска или мощность, выражаемая числом кубических сантиметров расплава, которыемогут быть подготовлены машиной для однократной подачи в литьевую форму.Выпускаемые промышленностью серийные литьевые машины, как правило, объединены втипоразмерные ряды по двум, указанным выше параметрам.
Кроме того, ЛМ подразделяются потехнологическим и основным конструктивным признакам:
по способу пластикации – на одно-,двухпоршневые, поршневые, червячно – поршневые.
по особенностям пластикации – на ЛМ ссовмещенной и раздельной пластикацией (предпластикацией);
по количеству пластикаторов – с одним,двумя и более пластикационными узлами;
по числу узлов запирания формы –одно-, двух- и многопозиционные (ротационные, карусельные);
по конструкции привода – электро- игидромеханические, электрические;
по расположению оси цилиндра, узлапластикации и плоскости,
разъема литьевой формы –горизонтальные, вертикальные, угловые.
/> />/>/>
1) 2) 3) 4)
Рис.2.2 Типы литьевых машин
1) — горизонтальные; 2) — угловые свертикальной прессовой частью; 3) — вертикальные; 4) — угловые с горизонтальнойпрессовой частью.
Угловые ЛМ используются для литьякрупных изделий с затрудненным извлечением из формы.
Вертикальные ЛМ наиболее удобны припроизводстве некрупных, в том числе армированных, деталей (обычно до 0,5 кг) в съемных формах.
Наибольшеераспространение получили горизонтальные одночервячные с совмещеннойпластикацией ТПА. Они обеспечивают объемы впрыска от 4 смЗ до 70 000смЗ при усилии запирания формы от 25 до 60 000 кН /4/.
Иногда применяютраздельную пластикацию (рис. 2.3), при которой полимер сначала поступает избункера 1 в вышеуказанный червячный предпластикатор 2, пригoтавливающийрасплав, а затем через регулирующий кран 3 расплав направляется в поршневойпластикатор 4, осуществляющий дозирование и высокоскоростную инжекцию в форму.Использование червячно – поршневого пластикатора значительно увеличиваетпроизводительность литьевых машин.
4 3 2 1
/>
Рис. 2.3 Схемачервячно-поршневого пластикатора
Литьевые формыпредназначены для непосредственного получения изделий из расплава,подготовленного в узле пластикации ЛМ. Поэтому их функция состоит в приемерасплава, его распределении по формообразующим объектам, в формовании изделий изатем в их выталкивании. Конструкции литьевых форм весьма разнообразны, чтовызвано двумя главными причинами: широчайшим ассортиментом получаемых изделий иразнообразием перерабатываемых полимерных материалов. Кроме того, наконструкцию литьевых форм влияет вид материала (термо- или реактопласт), типоборудования, характер производства, особые требования к изделиям и пр.
С точки зрения состоянияполимерного материала в течение цикла производства изделия литьевые формы длятермопластов подразделяются на холодно- и горячеканальные. В холодноканальныхформах во время цикла формования затвердевает весь объем поступившего в формуматериала. В горячеканальных — определенная зона формы, горячая, постояннозаполнена расплавом, часть которого периодически поступает в формующие полости,расположенные в охлаждаемой зоне.
В настоящее время в различныхстранах, в зависимости от уровня их технического развития, горячеканальнымиформами перерабатывают от 10 до 30 % термопластов. Горячеканальная технологиясчитается перспективной и ее применение расширяется. Суть этой технологиидовольно проста. Форма состоит из двух частей: холодной матрицы, в которойпроисходит формообразование изделий (рис.2.4, поз. 10), и значительно болеесложной горячей части. Обогреваемые горячие каналы формы постоянно заполненырасплавленным полимерным материалом. Горячеканальная часть формы оснащенаусовершенствованными предкамерными узлами впрыска (рис. 2.4, поз. 7, 8, 11) сточечным впуском.
Усовершенствованиесостоит, в частности, в использовании автономно управляемых игольчатых клапановс индивидуальным пневматическим или иным приводом. В заданный момент игольчатыйклапан перекрывает впускное отверстие (рис. 2.5, б), что не только прекращаеттечение расплава, но и позволяет практически исключить образование наповерхности изделия неровностей от литников. При работе инжекционный узел ЛМпостоянно сомкнут с формой, действие ее игольчатых клапанов согласовано сдвижением пластикатора.
/>
Рис. 2.4 Устройствогорячеканальной формы
Рис. 2.5 Горячеканальныесопла
1 — плита; 2 — горячеканальная камера; а) клапан открыт; б)клапан закрыт
3 — литниковая шайба; 4 — теплоизоляторы; 1-матрица; 2-сопло; 3-держатель;
5 — воздушный зазор; 6 — втулка установочная; 4-горячеканальная камера;
7 — сопло; 8 — нагреватель сопла; 9 — матрица; 5-игольчатый клапан;
10 — пуансон; 11 — предкамера 6-пневмопривод клапана
Достоинства горячеканальнойтехнологии:
1. Полное отсутствиелитниковых отходов.
2. Исключена операцияотрыва литника от изделия.
3. Расплав полимерапредельно приближен к формообразующей камере, что способствует повышениюкачества изделий.
4. Это же обстоятельствопозволяет получать крупные по размеру изделия (пластмассовая мебель) сминимальной толщиной стенки и, следовательно, более эффективно использоватьдорогостоящий полимерный материал.
Недостатки:
1. Ассортиментперерабатываемых полимеров ограничен требованиями термостабильности.
2. Расплав полимерадолжен быть маловязким (ПТР > 8 г/10').
3. Инжектированиерасплава требует увеличения усилия впрыска в пластика торе.
4. Горячий блок формыоснащен высокоточными устройствами терморегулирования и управления.
5. Конструкция,устройство и обслуживание формы существенно сложнее по сравнению схолодноканальными. Все это является причинами высокой стоимости горячеканальныхформ, применение которых требует тщательного технико-экономического обоснования(тираж изделий, их рыночная стоимость, продолжительность спроса и др.).
По числу оформляющихгнезд литьевые формы могут быть одно- и многогнездными.
В процессе литья поддавлением необходимо контролировать следующие параметры:
— давление литья;
— температуру по зонамматериального цилиндра;
— температуру пресс –формы;
— время выдержки поддавлением.
Значения этих параметровподбираются в зависимости от свойств выбранного полимера по справочникам.Например температура расплава должна быть на 30 – 40 °С ниже, чем температурадеструкции полимера. Разница между температурой нагревателей зоны загрузки изоны дозирования обычно составляет 10 –20 °С, увеличиваясь от зоны загрузки ксоплу.
Таким образом, в данномкурсовом проекте выбрана следующая схема производства преформ:
— транспортированиесвежего сырья
— сушка приготовленнойсмеси
— литье под давлением
— разбраковка, упаковка,маркировка
— дробление отходов.
3. ХАРАКТЕРИСТИКА ИКОНТРОЛЬ ИСХОДНОГО СЫРЬЯ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ
3.1 Характеристика иконтроль исходного сырья
Сырьё полиэтилентерефталат(ПЭТ) представляет собой гранулы округлой или цилиндрической формы белого цветабез инородных включений.
Предназначен дляизготовления преформ.
Таблица № 3.1 Характеристикаи контроль качества сырья и вспомогательных материалов
Наименование,
Хим. формула ГОСТ или ТУ Регламентируемые показатели по ГОСТ или ТУ Норма Метод контроля
Полиэтилентерефталат ,
/>
ГОСТ Р 51695-2000
ГОСТ Р 51695-2000
ГОСТ Р 51695-2000
ГОСТ Р 51695-2000
ГОСТ 21553-76
ГОСТ 18249
1.Содержание влаги и летучих
веществ, не более
0,1, в %.
2.Содержание
остаточного
мономера, в %.
3.Ударная вязкость,
не менее кДж/ м2
кгс·см/см2)
4. Разрушающее напряжение при растяжении МПа
5.Температура плавления °С
6. Характеристическая вязкость, дека л/г
0,004
0,02
30
50-70
>255
0,75-0,86
Весовой
Газожидкостная хроматография
На
маятниковых
приборах
В соответствии с паспортом
Дифференциальная сканирующая калориметрия
Вискозиметрия
3.2 Характеристика иконтроль готовой продукции
Преформы изготавливаютсяиз синтетической полимерной смолы – полиэтилентерефталата пищевого назначения,разрешенного для использования в условиях прямого контакта с пищевымипродуктами Минздравом России.
Поверхность преформыгладкая, без морщин, забоин, не допускаются: облой, воздушные пузыри, инородныевключения, кольца влаги. Допускаются царапины и другие дефекты, не влияющие натехнологические свойства.
Преформа предназначаетсядля раздутия бутылки, в которые в дальнейшем разливаются все различные напитки.
Таблица № 3.2 Характеристикаи контроль качества готовой продукцииНаименование, Химическая формула ГОСТ или ТУ Регламентируемые показатели по ГОСТ или ТУ Допустимые значения показателя Метод контроля Преформа для 2 л ТУ 2297-002-730362-24-2005
1. Размеры
Высота, мм
Диаметр горлышка, мм
Толщина стенки преформы, мм
Масса, г
2. Содержание ацетальдегида в преформе, ppm
3. Внешний вид и контроль напряжений в преформах в поляризованном свете
140 мм
28 мм
3 мм
50,5±0,5 г
≤5
Не допускается загрязнения на внешних и внутренних поверхностях наличие следов масла, влаги, пыли.
Геометрия горловины — комплексный калибр; толщина стенки преформы — магнитный измеритель толщины стенок.
Весовой. На весах общего назначения не ниже 3го класса точности с точностью взвешивания ±0,01г.
Газовая хроматография на хроматографе.
Визуальный. Органолептический с применением штангенциркуля.
4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙСХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
4.1 Транспортирование,подготовка и подача сырья
На производство преформПЭТ поступает в мягких специализированных контейнерах типа «биг-бег»весом до 1050 кг. Контейнеры автопогрузчиком со склада доставляются взагрузочную (поз. I). Сырье изконтейнеров перегружается в силосы (поз. 1)при помощи кран-балки, откуда спомощью пневмотранспорта поступает в бункер осушителя технологической линии(поз. 2) инжекционно-литьевой машины (термопластавтомат) серии НУРЕТ компании«HUSKY INJECTION MOLDING SYSTEM S.A.»(поз. 3). Необходимость осушенияПЭТ перед использованием обусловлена гигроскопичностью материала. Процессудаления влаги осуществляется осушителем фирмы PIOVAN (Италия) (поз. 2).
Процесс сушкиосуществляется горячим воздухом (t=185°C), который подготавливается восушителе, затем проходит через бункер с ПЭТ, забирая из него влагу, ивозвращается обратно в осушитель для подготовки к следующему циклу.Отработанный влажный воздух подается на картридж с адсорбентом, где из воздухаудаляется влага. Картридж подвергается регенерации горячим воздухом с температурой300°С. В осушителе установлено 2 картриджа (один работает на поглощение влаги,другой находится на регенерации). Время сушки составляет 5 часов /10/.
4.2 Литье под давлением
Из бункера осушителяполимер порциями поступает в дозатор литьевой машины. Материальный цилиндрлитьевой машины состоит из девяти зон. Каждая зона имеет определеннуютемпературу. От зоны загрузки к зоне дозирования температура увеличивается дляуменьшения выделения ацетальдегида. Расплавленный ПЭТ из червячногопластикатора подается в поршневой пластикатор, откуда под давлением подается впресс-форму, где приобретает форму преформы. Для обеспечения охлажденияпресс-формы в заданном режиме, используется система охлаждения на 7°С. Дляудаления образовывающегося конденсата из пресс-формы, установлена системамикроклимата пресс-формы. При охлаждении пресс-формы происходит процесскристаллизации расплавленного материала в форме. После охлаждения преформ,пресс-форма открывается и в ее зону заходит плита робота (поз. 4), в которуюпереходят преформы для дальнейшего охлаждения, после чего преформы сбрасываютсяна ленту транспортера, который загружает их в картонные короба.
Все технологическиепараметры регулируются на сенсорном дисплее.
В зависимости от видапреформы устанавливаются различные нормы технологического режима.
Для 2 л: Температура позонам 300 – 290°С.
Давление 175*105Н/м2.
Время охлаждения 2,2 сек.
Объем впрыска 3241,2 см3.
Усилие смыкания формы 300т.
При изготовлениинеобходимого количества преформ определенного размера, происходит сменапресс-формы и процесс повторяется.
4.3 Разбраковка, упаковка,маркировка
В процессе литья каждаяотлитая партия преформ проходит визуальный осмотр по ГОСТ 166-8989 насоответствие предъявляемых требований.
Готовые качественныепреформы, загруженные в картонные короба по 7000 шт. в каждом, ручной тележкойтранспортируются в упаковочное отделение (поз. VI). После упаковки короба устанавливаются на деревянныеподдоны и с помощью погрузчикатранспортируются на склад готовой продукции (поз. V).
В сертификате качествауказывают результаты проведённых испытаний и подтверждение соответствия преформтребованиям настоящих технических условий.
В документе о качестветакже указывают:
наименованиепредприятия-изготовителя или его товарный знак;
адреспредприятия-изготовителя;
наименование изделия;
количество преформ;
цвет;
номер машины;
номер формы;
марку сырья;
дату изготовления.
4.4 Дробление отходов
В случае выходабракованной преформы, либо сброса расплавленного сырья (при остановке машины)брак собирается в отдельную тару и поступает в дробилку ИПР-100-1-А (поз. 5),где подвергается измельчению до крошки размеров 2-4 мм. Полученная дробленка вновь используется в производстве (7 – 10 %). Процесс смешения со свежимсырьем происходит в бункере осушителя.
полиэтилентерефталаттехнологический оборудование форма
5. НОРМЫ И ПАРАМЕТРЫТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Таблица № 5.1 Нормы ипараметры технологического процесса№ Наименование стадий процесса Продолжительность, мин Температура, °С Давление, бар
Кол-во
компонентов Прочие показатели 1 Сушка 300 185 - ПЭТ + дробленка
Точка росы -75°С
Загрузка бункера
80-90% 2 Литье под давлением 0,25
Т1=300
Т9 290
Тформы=7 175 Осушенный ПЭТ
Время охлаждения 2,2 с
Предел оборота
шнека 44
об/мин
Объем впрыска
3241,2 см3 3 Дробление 15 _ _ Отходы
Производительность55кг/ч
Частота вращения
ротора 1000 об/мин
6. КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА
Таблица № 6.1 Пофазный контрольпроизводства преформ№
Наименование
стадий Что контролируется Частота и способ контроля Нормы и технологические показатели Методы испытаний Кто контролирует 1. Приемка сырья ГОСТ Р 51695-2000 Каждая десятая партия Нормы ГОСТ или ТУ По ГОСТ Р 51695-2000 Лаборант ЦЗЛ 2. Сушка материала Содержание влаги Время Температура Каждая партия в осушителе не более 0,004% 5 часов 180°С В осушителе по показаниям на дисплее Оператор 3 Литье под давлением
Температура
Давл. литья
Время охлаждения
Усилие смыкания
При каждой
новой отливаемойпартии
1,1сек
Т1= 300°С
Т2=295°С
Т3=294°С
Т4=293°С
Т5=292°С
Т6=292°С
Т7=292°С
Т8=291°С
Т9=290°С
175*105 Н/м2
2,2сек.
300 т. По показаниям на дисплее литьевой машины Оператор- постоянно Технолог-1раз в смену 4. Разбраковка Внешний вид изделия Каждая партия Согласно ТУ Визуальный осмотр изделия Контролер ОТК 5 Дробление Степень помола Каждая партия 2-4 мм По показаниям на дисплее дробилки Рабочий цеха
7. МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ
Материальные расчетысоставляют на основе чертежей и технических условий на детали, технологическихрегламентов и выполняют в виде таблицы (табл.7.1)
/> ПЭТТранспортировка ПЭТФ
/>
Сушка ПЭТФ
/>/>/>
/>Литье под давлением
/>/>Разбраковка Дробление
Качественная преформа
Рис 7.1 Блок-схемапроизводства преформ
7.1 Расчет навесок,загружаемых в форму (Н)
Группа сложности изготавливаемыхпреформ– 3, т.е. это детали с любой развитостью поверхности и имеющие от однойдо четырех резьб одного размера на внутренней или внешней поверхности. /1/.
К1-коэффициент, учитывающий безвозвратные потери (угар, летучие вещества,механическая обработка); К2 — коэффициент, учитывающий возвратныеотходы, которые образовались в технологическом цикле и годны для дальнейшейпереработки (литники, первые отливки при выходе на технологический режим ит.д.); Навеска Н- количество материалов, загружаемое в форму, достаточное дляполного оформления детали с учетом безвозвратных потерь и возвратных отходов,возникающих в процессе переработки пластических масс литьем под давлением /1/
Н=РД(1+К1+К2),г.
Н= 50,5(1+0,011+0,061)=54,14 г.
Возвратные отходы,которые учитываются коэффициентом К2, подвергаются дроблению. Приэтом возникают безвозвратные потери, которые в сумме учитываются коэффициентомК3. В процессе литья под давлением возникают безвозвратные отходы(первые отливки, облой и т.д.) которые не могут быть полезно использованы присовременном техническом уровне оборудования и технологии. Безвозвратные отходыучитываются коэффициентом К4. Безвозвратные потери при сушке сырьяучитываются коэффициентом К5. /5/
7.2 Расчет нормы расходаколичества материала
Норма расхода Нр — количество материала, необходимое для изготовления деталей с учетомнеизбежных потерь, возникающих как в процессе литья (угар, летучие и др.), так ина других этапах производства /5/.
Норму расхода определяютпо формуле
Нр=Рд(Кр+К6),г
где КР-коэффициент расхода материала при условии невозможности использованиявозвратных отходов в том же производстве; К6 — коэффициентбезвозвратных потерь сырья при транспортировке, хранении, расфасовке (рекомендуютК6= 0,001- 0,003; принимаем равным 0,002.)
Если возвратные отходывновь используются на данном производстве, то коэффициент расхода материалаопределяют по формуле
Кр’= Кр — α*К2/100
где α- количество возвратных отходов, используемое наданном производстве, %.
Кр’ =1,115-100*0,061/100=1,054
Нр= 50,5(1,054+ 0,002)= 53,3 г.
Вывод: Чтобы изготовитьпреформу весом 50,5г. необходимо 53,3г. ПЭТФ, так как происходят неизбежныепотери.
7.3 Масса готовойпродукции, выпускаемой за год, определяется по формуле:
G=РД*П*10-6т/год /5/.
G= 50,5*250000000*10-6=12625 т/год;
7.4 Расход сырья за годопределяется по формуле:
Gс= Нр*П*10-6 т/год /5/,
Где Рд — массаокончательно обработанной детали;
П-программа выпускадеталей в год.
Gс= 53,3*250000000*10-6= 13325 т/год;
Все полученные расчетомданные заносим в соответствующие графы табл. 7.1.
7.5 Расчет прихода и расхода сырья на каждой стадии
1) Масса готовойпродукции составляет G=12625т/год.
2) На разбраковке расходсоставляет 12625 т/год
Приход составит: 12625+K4G+K2G= 12625+429,25+770,13=13825 т/год.
3) На стадию дробленияпоступает K2G=770,13 т/год
Расход: K2G –K3G=770,13 – 12,6= 757,53 т/год.
4) На стадии литья поддавлением расход составит: 13825 т/год
Приход составит: 13825+K1G = 13825+138,9 = 13963,9 т/год
5) На стадию сушки приходсоставит
13963,9+K5G-757,53 = 13963,9+0,008*12625-757,53= 13306,9т/год.
6) На стадиютранспортирования сырья приход составит
13306,9+K6G= 13306,9+0,002*12625= 13332,2 т/год.
Результаты материальногорасчета изготовления преформ из полиэтилентерефталата (ПЭТ), литьем поддавлением приведены в табл. 7.1.
В графе 1 указанонаименование детали, в графе 2 — группа сложности детали, в графе 3 — масса Рдокончательно обработанной в соответствии с чертежом детали (без арматуры) и вграфе 13 — программа выпуска деталей в год (П, шт./год).
Таблица № 7.1Наименование детали Группа сложности
Рд,
г Коэффициенты потерь материала Н, г
Кр
Кр,
К1
К2
К3
К4 Преформы (2 л) 3 50,5 0,011 0,061 0,001 0,034 54,14 1,115 1,054
Кр,+К6
Нр, г П шт/год
Gc, т/год G, т/год Безвозвратные потери материала т/год
K1G
K2G
K3G
K4G 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1,056 53,3
25*106 13325 12625 138,8 770,13 12,6 429,25
(коэффициенты К5=0,008, К6=0,002,α =100%)
Все коэффициенты (К1 – К6) взяты из методических указаний /5/ в зависимости отмарки используемого полимера и группы сложности изделия.
2) Найдем суточнуюпроизводительность по готовому продукту:
τД –действительный фонд времени
τД= 365 –20(ремонт)=345дней/год
12625000/345= 36594,2кг/сут качественных преформ.
Найдем количество ПЭТрасходуемого в сутки:
13332200/345= 38643,5кг/сут
Для выпуска 36594,2кг/сут готовой продукции требуется 38643,5 кг/сут ПЭТ, а для 1т готовойпродукции:
1000*38643,5/36594,2= 1056 кг.
Аналогично найдемсуточное потребление дробленки
757530/345= 2195,7 кг/сут.
Для выпуска 36594,2кг/сут готовой продукции требуется 2195,7 кг/сут дробленки, а для 1т готовойпродукции:
1000*2195,7/36594,2=60,00 кг
Полученные результатыпредставим в виде таблицы 7.2.
Таблица № 7.2 Постадийныйматериальный баланс производстваНаименование стадий Приход Потери Расход Компонент т/год % т/год Компонент т/год Транспортирование ПЭТ 13332,2 0,19 25,3 ПЭТ 13306,9 Сушка
1.ПЭТ
2.Дробленка
ИТОГО
13306,9
757,53
14064,43 0,71 100,53 Осушенный ПЭТ 13963,9 Литье под давлением Осушенный ПЭТ 13963,9 0,99 138,9 Преформа 13825 Разбраковка Преформа 13825 8,7 1200 Качественная преформа 12625 Дробление Брак 770,13 1,6 12,6 Дробленка 757,53
Таблица № 7.3 Своднаятаблица материальных расчетовНаименование сырья Расход кг на 1т готового продукта кг/сут т/год ПЭТ 1056 38643,5 13332 Дробленка 60,00 2195,7 757,53
8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕРАСЧЕТЫ
8.1 Выбор основного ивспомогательного оборудования
Основным оборудованиемдля получения изделий из пластмасс литьем под давлением являютсятермопластавтоматы (литьевые машины), которые выпускаются серийно. Квспомогательному оборудованию следует отнести сушилки, ленточные транспортеры,промышленные холодильники, средства для транспортировки сырья и его загрузкибункеры литьевых машин.
8.1.1 Литьевую машинувыбирают по расчетному объему впрыска V’
V’ =К*Н*n/ρ, см3
где К – коэффициент,учитывающий сжатие и утечки расплава при его впрыске в форму (К=1.2-1.3); Н — навескаматериала, необходимая для отливки одной детали (графа 8, табл.7.1), г; n- гнездность формы; ρ — плотность полимера, г/см3 (ρПЭТ= 1,4 г/см3)По расчетному объему впрыска подбираем номинальный объем впрыска VН литьевой машины, которые заносим в соответствующиеграфы табл. 8.1.
V’= 1,2*54.14*72/1,4= 3241.2 см3