Подготовка полимерных композиций к переработке

К подготовительным операциям относятся:

- смешение компонентов,

- сушка,

- растворение

- измельчение.

Смешение – технологический процесс, применяемый для введения в полимер добавок, которые целенаправленно изменяют его свойства и гомогенизируют композицию.

Перед смешением ингредиентов целесообразно проводить просеивание компонентов, сушку, а при необходимости увлажнение и взвешивание. В некоторых случаях осуществляется дробление отходов, которые после измельчения подаются на смешение. Просеивание проводится с целью очистки материала от посторонних включений, а также от крупных агломератов.

Сушку полимерных материалов ведут при повышенной влажности для того, чтобы исключить возникновение пор, раковин, вздутий и других видов брака уже на стадии переработки.

Взвешивание производят с помощью дозаторов в крупносерийных производствах, а в мелкосерийных – на обычных технических весах.

Дробление отходов осуществляется в измельчителях, дробилках, мельницах и других устройствах. Затем тонко измельченные порошки полимеров добавляют к первичным полимерам в количестве 5-30 % с целью экономии базового полимера.

Основным требованиям к процессам смешения является достижение структурной однородности, изотропности композиций. При введении в полимер наполнителей и некоторых других ингредиентов обычно увеличивается структурная неоднородность, поэтому в процессе смешения обычно стремятся к достижению равномерного распределения компонентов. Особенно к такому результату стремятся при введении красителей. При окрашивании к бесцветному гранулированному или порошкообразному полимеру добавляют окрашенный полимер. В некоторых случаях в полимеры вводят пигменты с целью окрашивания.

Процессы смешения полимера с наполнителями, красителями или другими твердыми компонентами, а также с вторичным сырьем на производстве осуществляются в барабанных смесителях. Часто используются горизонтальные цилиндрические смесители барабанного типа (рис. 3.1, а). Недостаток его – перемешивание идет только вдоль плоскости вращения.

Используются цилиндрические смесители со смещенной осью вращения («пьяная бочка») (рис. 3.1, б). Находит применение биконический вертикальный смеситель (рис. 3.1, в). Более эффективным является бицилиндрический или V-образный смеситель (рис. 3.1, г), а также тетраэдрический смеситель (рис. 3.1, д).

Рис. 3.1. Схемы смесителей барабанного типа

При вращении барабанных смесителей сыпучие компоненты перемещаются за счет циркуляции материалов. Данный метод прост, он обеспечивает достаточно хорошее смешение, однако процесс смешения длителен и достаточно энергоемок. Для интенсификации смешения иногда применяются смесители с мешалками.

Качество смешения может быть оценено с помощью коэффициента неоднородности:

где – число проб, отобранных для анализа;

– концентрация перемешиваемого компонента в i -той пробе;

– концентрация этого же компонента при идеальном смешении.

При высоком качестве смешения коэффициент неоднородности стремится к нулю. Чем меньше коэффициент неоднородности, тем лучше качество смешения.

В целом ряде случаев осуществляется смешение сыпучих и жидких компонентов. Смешивают пластификаторы, растворители, жидкие стабилизаторы, пасты на их основе. Поэтому смешение осуществляется в смесителях лопастного типа. Если жидкие компоненты вводить в небольших количествах, то к ним добавляют полимеры небольшими порциями и проводят последовательное смешение до получения однородной массы. При получении растворов растворитель или пластификатор добавляют к полимеру по частям. В начале вливают от 1/3 до 2/3 жидкости и перемешивают, а затем добавляют остальную часть жидкого компонента и осуществляют следующую часть смешения.

Наибольшей равномерности достигают при смешении полимеров с другими полимерами или ингредиентами композиций в вязкотекучем состоянии. Процесс осуществляется периодическими или непрерывными методами. Смешение периодическим методом осуществляется с помощью вальцов. Процесс вальцевания является трудоемким. Кроме того, при смешении наблюдается значительная деструкция полимера по причине термоокисления при длительном контакте расплава с кислородом воздуха. Смешение полимера с другими компонентами осуществляется в смесителях закрытого типа (роторные смесители или экструдеры)

В технологических процессах часто возникает необходимость удаления летучих веществ, поэтому полимерные материалы подвергаются сушке. Применяются ленточные сушилки непрерывного действия, тоннельные сушилки, полочные вакуум-сушилки, сушилки с кипящим слоем. Вакуумные сушилки используют для подсушки полимеров перед переработкой. На практике предварительно сушат полиамиды, особенно поликарбонаты.

На практике широко применяют растворение, при этом полимеры растворяются в различных жидкостях. Из полученных растворов получают пленки, покрытия, клеи, пены. Растворение полимеров осуществляется в две стадии:

- осуществляется набухание полимера вследствие проникновения в его объем молекул растворителя. Этот процесс вызван значительной разницей в коэффициенте диффузии полимера и растворителя;

- собственное растворение полимера. Этот процесс заключается во взаимной диффузии материала полимера и растворителя. Этот приводит к разделению элементов структуры полимера и в конечном итоге приводит, образует истинный раствор полимера. Эта операция обычно ускоряется перемешиванием.

Поскольку растворение идет с поверхности материала, то скорость процесса тем выше, чем больше величина поверхности. Поэтому измельчение полимеров способствует интенсификации растворения полимеров. Растворение осуществляется в смесителях, которые имеют мешалку. Компоненты подаются в смеситель посредством специальных мерников-дозаторов.

Требования к растворителям:

1. должны обладать достаточной растворяющей способности по отношению к полимерам;

2. должны иметь неограниченное смешение полимера с растворителем;

3. должен иметь место максимальный градиент вязкости, т.е. должно наблюдаться значительное изменение вязкости с изменением температуры. Это облегчает в дальнейшем последующие технологические операции: фильтрация, деаэрация;

4. оптимальная степень летучести;

5. минимальное значение концентрационного коэффициента вязкости, т.е. вязкость расплава по возможности должна мало изменяться с изменением концентраций полимера. Это важно при получении пленок методом полива с тем, чтобы избежать значительной усадки пленки при последующем растворении растворителя;

6. должен обладать химической способностью и инертностью по отношению к др. компонентам раствора, а также к материалу оборудования;

7. должен обладать нетоксичностью, взрыво- и пожаробезопасностью;

8. должен быть экономичным (доступным, должен иметь невысокую стоимость, по возможности должен подвергаться регенерации для последующего испытания).

Однородность зависит от смесительного оборудования, от порядка загрузки компонентов и режима перемешивания. На практике используют вертикальные или наклонно горизонтальные аппараты в коррозионностойком исполнении. Аппараты должны снабжаться мешалками. Конструкция мешалки должна обеспечивать эффективное перемешивание массы во всем объеме аппарата. Для того, чтобы обеспечить лучшее растворение, необходимо дать возможность для набухания полимеров в растворителях. Загрузку компонентов осуществляют следующим образом: в аппарат вводят примерно половину растворителя (от количества) и при работающей мешалке загружается небольшими порциями предварительно разрыхленный полимерный материал. Затем загружается остальное количество основного растворителя и после продолжительного перемешивания, получают раствор требуемого качества. Продолжительность приготовления раствора на практике может составлять от 6 до 24 ч.

Измельчение. На практике используется сырье с достаточно крупными частицами (3-5 мм). Сырье может быть в виде гранул (термопласт) или в виде крошек (реактопласт). В ряде случаев требуется иметь тонкодисперсные порошки. Часто такие порошки получают в процессе синтеза (эмульсионный ПС, ПВХ, ПЭВП и др.). При этом дисперсность и форма частиц полимера зависит от способа проведения полимеризации. Порошки полимеров могут быть получены искусственным путем распыления расплавов. В промышленности широко используется способ высаждения порошков из растворов либо путем добавления осадителя, либо путем выпаривания растворов полимера, либо охлаждением раствора.

Иногда порошки получают путем механического измельчения полимера. Т.к. они обладают невысокой твердостью, поэтому износ ножей невысок и энергоемкость невелика. Механическое измельчение ведут при комнатной температуре и получают крупнозернистые порошки размером более 2 мм. При измельчении фенопластов, аминопластов размер частиц – 0,3-2 мм. Термопластичные материалы перед изготовлением в изделия подвергают гранулированию.

Гранулирование – превращение материала в сыпучий зернистый продукт, состоящий из однородных по размеру частиц гранул. Гранулы могут иметь цилиндрические, чечевицеобразные, кубические (иногда). В пределах одной партии форма и размеры гранул должны быть одинаковыми. Метод гранулирования выбирается в зависимости от требуемой формы гранул и с учетом вязкости расплавов полимера. Из высоковязких расплавов полимеров (полеолефины) гранулы цилиндрической или чечевицеобразной формы получаются путем выдавливания расплава через цилиндрические отверстия с последующей отрезкой выходящих из головки экструдата прутков с помощью вращающего ножа. Длина получающих гранул изменяется в зависимости от скорости вращения ножей и в зависимости от производительности экструдера. Охлаждение полученных гранул осуществляется либо с помощью воздуха, либо с помощью холодной воды.

При гранулировании низковязких полимеров (ПА) экструдат выдавливается в виде жгутов, их охлаждают, затем в охлажденном состоянии режутся на гранулы. Поскольку резка более жестких жгутов затруднена, этот способ более энергоемкий. Если экструзионное оборудование используют для смешения мат-лов, то операции смешения и гранулирования совмещают. Гранулированию подвергают вторичные полимерные материалы.

Дата добавления: 2015-06-04