Н.А. Лавров, М.С. Игуменов, К.С.Беседина

О РАЗНОТОЛЩИННОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИЭТИЛЕНА, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ РОТАЦИОННОГО ФОРМОВАНИЯ

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26

ООО "РОТЕК", 192241, Санкт-Петербург, пр.Александровской фермы, д.33 

Рассмотрены результаты исследований по устранению разнотолщинности и улучшению качества изделий из линейного полиэтилена низкой плотности, получаемых методом ротационного формования. Показало, что можно достигнуть равнотолщинности изделия, регулируя скорость вращения формы. Установлены оптимальные режимы изготовления изделий.

Ключевые слова: ротационное формование, линейный полиэтилен низкой плотности.

В последнее время на российском рынке вырос спрос на изделия, полученные методом ротационного формования (РФ), в том числе на крупногабаритные емкости различного назначения. Методом РФ можно перерабатывать термопластичные полимерные материалы (ПМ), изначально находящиеся в порошкообразном или вязкотекучем состоянии. Этим методом производят изделия из полиэтилена, пластизоля, полипропилена, нейлона, поликарбоната, полиуретана. Для переработки термопластов наибольшее распространение получили методы литья под давлением, экструзии, каландрования [1]. Ротационное формование используется значительно реже. По оценке экспертов, доля изделий из пластмасс, полученных российскими производителями с использованием этого метода, не превышает 5%, при этом освоено только 20% существующей потребности рынка изделий. Распространению метода РФ для производства изделий препятствует значительная стоимость их перевозки. Можно утверждать, что эта технология ориентирована в основном на местные рынки, поэтому в различных регионах естественным образом возникает потребность в организации подобных производств.

Особенности производства изделий из термопластов, получаемых методом ротационного формования
Применение метода РФ дает возможность изготавливать изделия, которые невозможно получить другими способами: емкости для индивидуальных канализационных сооружений, малогабаритные и крупногабаритные ёмкости объемом до 30 м3, контейнеры различного назначения, дачную мебель, дорожные ограждения, детские игровые комплексы, товары для зимнего отдыха [2]. Известно, что полые изделия из термопластов можно получать также методом экструзионно-выдувного формования. Но недостатком этого метода являются разнотолщинность изделий из-за неоднородной степени вытяжки заготовки в различных местах; значительные отходы материала в виде облоя, неизбежного при этом методе; периодический режим работы экструдера. Метод ротационного формования имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами переработки пластмасс [3]: возможность изготовления изделий сложной конфигурации; многослойность изделий; возможность армирования изделий металлическими и пластиковыми деталями; регулирование толщины стенки изделия, варьированием количества загружаемого в форму материала (методом РФ можно получить изделие с толщиной стенки 5-20 мм); отсутствие швов и внутренних напряжений в изделиях; низкие капитальные затраты на оборудование и оснастку; рентабельность производства. Технология переработки термопластов методом РФ предусматривает проведение процесса в 3 стадии [4], которые протекают при атмосферном давлении. На первой стадии в холодную форму, представляющую собой полую раковинообразную конструкцию, загружается определенное количество полимерного материала. На второй стадии, в камере нагрева, происходит нагрев формы с помещенным в неё материалом, в результате чего происходит формообразование изделия. При этом форма вращается относительно двух перпендикулярно ориентированных относительно друг друга осей, со скоростями вращения обычно в пределах от 4 до 20 об/мин. Скорость вращения относительно каждой оси устанавливается раздельно. При вращении формы расплавленный полимер образует однородный слой на внутренней поверхности формы. На третьей стадии происходит охлаждение формы со сформировавшимся изделием. В течение всей третьей стадии форма продолжает вращение. После завершения охлаждения форма останавливается, и готовое изделие из неё извлекается. При переработке полимерных материалов методом ротационного формования необходимо четко понимать протекающие физико-химические процессы, их зависимость от технологических параметров процесса (скорости вращения формы, температуры в камере нагрева, продолжительности нагрева, режима охлаждения). Необходимо учитывать также влияние геометрии формы, качества её изготовления, конструктивного исполнения различных участков и положение плоскости разъема, которые влияют на формование изделия. Также на равномерность распределения порошкообразного ПМ по внутренней поверхности формы влияет его фракционный состав и форма частиц порошка.

Качество изделий, получаемых методом ротационного формования
Наряду с преимуществами, изделия полученные методом РФ могут обладать и недостатком – выраженной разнотолщинностью, наличием сквозных каналов и недоплавов порошкообразного материала в сечении стенки изделия, утяжинами и короблением. Анализ литературных данных показывает, что в отечественных периодических изданиях публикации о методе РФ, технологических особенностях процесса встречаются крайне редко. Однако интерес промышленников и предпринимателей к получению продукции с использованием данного метода достаточно велик, хотя теоретические основы переработки, а также некоторые технологические аспекты требуют совершенствования. Целью исследований, начатых фирмой ООО «РОТЕК» совместно с кафедрой химической технологии пластмасс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), является изучение гаммы свойств, определяющих качество изделий, получаемых методом ротационного формования, а также совершенствование научных основ получения изделий из термопластов методом РФ.

Влияние скорости вращения формы на разнотолщинность изделий
Определяющее влияние на возможность получения качественного изделия методом РФ оказывает режимы проведения процесса и скорость движения частиц порошкообразного материала внутри формы, зависящая от сыпучести порошка [5]. Исходя из критерия равномерности налипания движущихся частиц порошкообразного материала показано [5], что получение равнотолщинного изделия возможно только при подборе оптимальных скоростей вращения формы. Другой причиной влияющей на разнотолщинность изделия является несоосность формующей поверхности формы и манипулятора, на котором она закреплена. Нами изучена зависимость разнотолщинности от скорости вращения формы для изделия, представляющего собой цилиндрический резервуар емкостью 80 л, с толщиной стенки 8 мм, диаметром 320 мм, длинной 1000 мм, полученный методом РФ. В экспериментах использовали композицию линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП) с содержанием 5 масс. % фталоцианинового пигмента голубого цвета, мелкодисперсной фракции. Скорость вращения формы определяли с использованием уравнений, приведенных в работе [5]. Температуру расплава при формовании варьировали в пределах от 220 до 250?С. В таблице приведены свойства ЛПЭНП различных марок, используемых для проведения экспериментов. 

Таблица. Свойства ЛПЭНП

Формование образцов проводили при подобранных технологических режимах таким образом, чтобы они максимально удовлетворяли требованиям к качеству изделия. На стадии технического контроля отмечено отсутствие утяжин, коробления и пузырей, визуального изменения цвета материала, а также недоплавов порошкообразного ЛПЭНП. Диапазон окружных скоростей вращения формы варьировали от 6,5 до 30 м/мин. На рисунке приведены результаты исследований. Графики построены с использованием полученных экспериментальных данных при переработке разных марок ЛПЭНП.

Рисунок. Зависимость разнотолщинности h (мм) изделия от скоростей вращения формы V (м/мин) 
для ЛПЭНП различных марок: 1 - R50035E; 2 – RG 500U; 3 – UR 644; 4 - Dowlex. 

Анализируя кривые зависимости разнотолщинности (h) изделия от скоростей вращения формы (V), представленной на рисунке, условно можно выделить три зоны. I – зона малых скоростей вращения формы, II – зона оптимальных скоростей вращения формы, III – зона высоких скоростей вращения формы. Процессы формирования изделий в каждой из этих скоростных зон имеют свои особенности. Наименьшая разнотолщинность, являющаяся результатом несоосности формующей поверхности формы с осью вращения манипулятора, наблюдается во второй зоне при окружной скорости вращения формы равной 8 м/мин. Полученные результаты экспериментов позволяют прогнозировать величину отклонения реальной толщины стенки изделия от расчетной в зависимости от скоростей вращения формы. Анализируя данные, приведенные на рисунке, можно рекомендовать оптимальные окружные скорости вращения формы для получения изделий с минимальной разнотолщинностью стенки изделия – от 7,5 до 11 м/мин.

Литература
1. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов. В.В. Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов — Спб.: Профессия, 2004. 464 с.
2. Крупногабаритные ёмкости, контейнеры и танки, и другие пластмассовые изделия фирмы «АНИОН» // Пласт. массы. 2002. №3. С. 3-7.
3. Glenn L.Beall. Rotational Molding. Design, materiais, tooling and processing // Munich. 1998. P. 16-73.
4. Михасенок О.Я. Ротационное формование. Уникальность безграничных возможностей // Полимерные материалы. 1999. №2. С. 6-7.
5. Голендер Б.А., Клейман С.Я. Ротационное формование крупногабаритных деталей сельхозмашин и тракторов из пластмасс // Технология тракторного и сельскохозяйственного машиностроения. 1983. №3. 54 c.
6. Клейман С.Я.

Источник: Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2010. №6(32). С. 37-38