CC BY
15УДК 667
O.O. Nikolaev1, V.P. Britov2, T.M. Lebedeva3 О.О. Николаев1, В.П. Бритов2, Т.М. Лебедева3
INFLUENCE OF STAINING METHODS ON ENERGY EFFICIENCY OF PRODUCTION OF POLYMERIC PRODUCTS BY INJECTION MOLDING
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: oleg1201@yandex.ru
The quantitative composition of the colorant used in additives is determined by the extraction method. A series of samples with different contents of the colorant was manufactured by injection molding of plastics by using different staining techniques. The effect of different additives on the energy consumption of injection molding machines was estimated. A detailed analysis of production parameters of injection molding machines revealed a significant change in the balance of mechanical and thermal energies required for the manufacturing of products when different staining techniques are used. Analysis of energy-power parameters led to the conclusion that the ratio of the heat obtained by the polymer from the heating systems of injection molding machines and the dissipation of viscous flow energy at plasticization and injection of the polymer material changes. It is noted that the energy consumption of injection molding machines depends only slightly on the staining technique used.
Key words: polymer, injection moulding, energy efficiency, energy dissipation of viscous flow, liquid colorants, master-batches
Введение
Метод литья под давлением термопластов известен уже более 60 лет. В его основу был положен метод литьевого прессования. Однако бурное развитие химии полимеров существенно потеснило классическое прессование во всех его видах. Появившийся спектр новых термопластичных полимерных материалов позволил литью под давлением быстро занять лидирующие позиции в получении дискретных изделий. Первые десятилетия совершенствовались не только аппаратное обеспечения метода, но и сама технология, в основе которой лежит глубокое понимание физических (физико-химических) процессов, протекающих в полимере во время переработки.
Уже к 70-80 годам прошлого столетия базовые концепции процесса полностью сформировались, и началась серьезная гонка за эффективность производства. При конструировании первых машин для литья под давлением (ТПА - термопластавтомат) широко исполь-
ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОКРАШИВАНИЯ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: oleg1201@yandex.ru
Методом экстракции определен количественный состав красящего вещества в используемых добавках. Методом литья под давлением пластмасс изготовлены серии образцов с различным содержанием красящего вещества при использовании различных методов окрашивания и проанализировано влияние различных добавок на энергопотребление машин для литья пластмасс. При детальном анализе производственных параметров машин для литья под давлением отмечено значимое изменение баланса механической и тепловой энергий затрачиваемых на изготовление изделий при использовании различных методов окрашивания. Анализ энерго-силовых показателей позволил сделать вывод о изменении соотношения тепла получаемого полимером от нагревательных систем машин для литья под давлением и диссипации энергии вязкого течения при пластикации и впрыске полимерного материала. Отмечено, что энергопотребление машин для литья под давлением при применении различных методов окрашивания меняется несущественно.
Ключевые слова: полимер, литье под давлением, энергоэффективность, диссипация энергии вязкого течения, жидкие красители, суперконцентрат
зовались гидроприводы. На этапе совершенствования гидросистем только за счет перехода с насосов постоянного расхода на насосы переменного расхода удалось достичь снижения энергозатрат приводов до 40 %.
Энергоэффективность данного вида оборудования зависит из большого количества факторов: времени цикла, геометрии изделия, конструктивного исполнение узлов ТПА, алгоритма работы ТПА, времени простоя гидросистем, разделенности приводов и пр.
Одновременно с удешевлением и совершенствованием элементной базы для ТПА начали применять решения на базе сервонасососных групп, сер-воклапанов и пр. Существенно изменился подход к конструированию основных узлов машины (узлы смыкания, впрыска), пары трения скольжения заменяются на пары трения качения. Появилась практика применения технологии рекуперации механической энергии узлов и гибридных решений (решения с разделенными приводами).
1 Николаев Олег Олегович, канд. техн. наук, доцент каф. оборудования и робототехники переработки пластмасс, e-mail: oleg1201@yandex.ru Oleg O. Nikolaev, Ph.D (Eng.), associate Professor of Department of Equipment and Robotechnics of Plastics Processing
2 Бритов Владислав Павлович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. оборудования и робототехники переработки пластмасс, e-mail: deaf14@rambler.ru Vladislav P. Britov, Dr. Sd. (Eng.), Pressor, Head of Department of Equipment and Robotechnics of Plastics Processing
3 Лебедева Татьяна Михайловна, канд. техн. наук, доцент каф. оборудования и робототехники переработки пластмасс, e-mail: tatyanam.lebedeva@ yandex.ru
Tatyana M. Lebedeva, Ph.D (Eng.), associate Professor, Department of Equipment and Robotechnics of Plastics Processing Дата поступления - 30 июня 2017 года
По разным подсчетам этот этап усовершенствования позволил снизить энергопотребление на механические движения еще до 25 % [1].
Переход на электрические приводы прямого действия или с минимальным преобразованием движения стал новым качественным скачком, что позволило существенно повысить не только энергоэффективность ( в некоторых случаях еще до 20 % и более), но и точность машин в целом [2, 3].
Тем не менее, несмотря на технические решения, реализованные за последние 20-30 лет, многие из которых носили революционный характер, на заводах по переработке пластмасс сложилась парадоксальная ситуация. Наряду с самыми современными и энергоэффективными машинами, работают машины различных этапов развития.
Параллельно с развитием оборудования совершенствовались и материалы. Существенно расширился ассортимент материалов оптимизированный, именно, для литья под давлением.
Современные полимерные материалы представляют собой композиции на основе высокомолекулярных соединений, наполненных всевозможными добавками и наполнителями. Одним из видов модификаторов являются красящие добавки, которые влияют не только на цвет, но могут существенно повлиять на другие эксплуатационные и технологические свойства полимера.
В большом количестве случаев окрашивание полимера выполняется непосредственно при изготовлении изделия, при этом применяются различные виды красящих веществ и технологии окрашивания.
В рамках поисковой работы на кафедре ОРПП (СПбГТИ(ТУ)) было рассмотрено влияния различных способов окрашивания полимерных материалов на энергопотребление ТПА. Основной целью исследования являлось определение возможности снижения энергопотребления при использовании различных методов окрашивания, при этом вопросы экономики (стоимости компонентов, затраты на дополнительное оборудования, целесообразности применения) в данном исследовании не рассматривались.
Были рассмотрены 3 базовые технологии окрашивания полимеров: окрашивание суперконцетратами, опудривание, окрашивание жидкими красителями [4, 5].
Модификация полимера с целью снижения энергопотребления при литье под давлением пластмасс имеет определенные ограничения, поскольку влияет лишь на те операции технологического процесса, которые непосредственно связаны с работой над расплавом полимера: пластикация полимера, впрыск и выдержка под давлением. На другие операции модификация полимера влияния не оказывает
Экспериментальная часть
Исследования выполнялась на современном оборудовании: классическом гидравлическом ТПА ENGEL Victory 60 производства Австрии и полностью электрическом ТПА Sumitomo shi Demag Intelect 50-200 производства Германии. Оба термопластавтомата оснащены пакетами сбора производственной информации, что существенно облегчило анализ данных.
В качестве материалов для исследования были использованы: базовый полимер - ABS (акрилонитрилбу-тадиенстирольный пластик) 121N производства фирмы LG, суперконцентрат П3010/01-ПС (фирма Барс 2, Россия), жидкий концентрат 11W102RU (фирма Riverdale, США) и порошкообразная двуокись титана марки COMP-2339 ЧДА (Россия).
Работа была разделена на четыре этапа:
Методом экстракции был оценен количественный состав красящих добавок. Поскольку в качестве красящего вещества был взят диоксид титана, метод экстракции позволил определить достаточно точное содержание кра-
сящего пигмента в составе добавок. Это позволило нам не полагаться на декларацию производителей добавок.
На следующем этапе производилось приготовление 4-х композиций для каждого вида красящего вещества с эквивалентным содержанием целевого компонента (диоксида титана), мас. ч. на 100 г. полимера: 0, 0,474, 1,22, 1,82. Полимерное сырье предварительно подвергалось сушке при температуре 85 °С в течение 3 ч в сушильном агрегате сухим воздухом с точкой росы не выше -30 °С (ECO 110 Koch Technik).
Изготовление типовых образцов методом литья под давлением производилось в соответствии с рекомендуемым производителем полимера температурным режимом (температурах расплава 230 °С и формы 50 °С) с различными скоростями впрыска: 10 см3/с и 100 см3/с. Образцы соответствовали индексу длины течения l/s = 75, где I - длина течения, мм, s - толщина изделия, мм.
К рассмотрению принимались следующие показатели процесса: на стадии пластикации - крутящий момент на шнеке, на стадиях операции впрыска и выдержки под давлением - максимальное давление впрыска, интегральное давление впрыска, энергопотребление приводов, нагревателей в пересчете на цикл. Сравнение велось относительно показателей базового материала (композиция без окрашивания).
По каждой точке экспериментального исследования изготавливалась серия по 100 образцов. Образцы переходных режимов в анализе не использовались. Для снижения влияния остаточных компонентов в рабочих органах технологических машин после выхода ТПА на режим изготовления образцов каждой новой серии в анализе не использовались первые и последние 20 % образцов. В качестве типового изделия были приняты стандартные образцы для физико-механических исследований (стандарты: ISO 3167 type A и ГОСТ 11262-80 тип 1). Форма для получения образцов методом литья под давлением изготовлена с учетом требований стандарта ISO 294-1.
Обсуждение результатов
Первичный анализ полученных результатов показал устойчивое снижение энергосиловых параметров процесса литья под давлением. Отмечалось снижение крутящего момента на шнеке от 5 до 15 % для жидких красителей при малых и больших концентрациях, соответственно. Для композиций с суперконцентратами и порошковыми красителями снижение крутящего момента не было столь значительным и составило не более 5 % при высоких концентрациях добавок, либо отсутствовало полностью.
Зависимость максимального давления литья от содержания красителей представлена на рисунке 1. Максимальное снижение этого показателя достигает около 5 %.
1090
о.
S 1080¡
К 1 ~~ ------ f
т —
i 1070 ф
? i § 1060 i id
et
0 1050
-О
И
1 1040 <0
5 1030 1020
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Содержание двуокиси титана в композиции, мас. ч. Суперконцентрат Порошковый краситель -»- Жидкий краситель
Рисунок l. Зависимость максимального давления литья от содержания добавок для различных способов окрашивания.
Анализ суммарного вклада всех механических операций над расплавом показал устойчивое снижение
затрат энергии более чем на 5% для больших концентраций добавок (рисунок 2).
7 4,5
m 4 45
4 1
СО
4,05 4
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Содержание двуокиси титана в композиции, мае. ч.
-»- Суперконцентрат Порошковый краситель - Жидкий краситель
Рисунок 2. Зависимость затрат механической энергии от содержания добавок для различных способов окрашивания.
Однако более комплексный анализ энергосиловых показателей ТПА в целом показал диаметрально противоположную картину. Потребление энергии не только не снизилось, но в некоторых случаях даже возросло. Суть явления становиться понятна, если рассмотреть энергопотребление ТПА с учетом работы нагревательных элементов (рисунок 3).
5,4
(D
£ 5,25
4,9
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Содержание двуокиси титана в композиции, мае. ч.
Суперконцентрат Порошковый краситель — Жидкий краситель
Рисунок 3. Зависимость затрат энергии на нагрев композиций от содержания добавок для различных способов окрашивания.
Согласно нашим первоначальным предположениям, ожидаемое снижение энергопотребления ТПА связывалось в первую очередь со снижением вязкости полимерного расплава. Наибольшее снижение вязкости ожидалось на композициях с жидким красителем, поскольку в качестве основы для жидких красителей используется жидкое эпоксидированное соевое масло. Для суперконцентратов в качестве основы используются низкотемпературные воски и низкомолекулярные полимеры, что так же должно было снизить вязкость полимера в целом.
Однако, прогнозируемое снижение вязкости привело к существенному снижению диссипативного тепла в материальном цилиндре ТПА. Диссипация энергии вязкого течения (тепловыделение при вязком течении) играет существенную роль в нагреве полимерного материала в шнековых машинах. Более того, КПД данного источника тепла при плавлении полимера существенно превышает КПД нагревательных элементов, поскольку генерация тепла происходит непосредственно в полимере без потерь на теплопередачу. Диссипативный нагрев в большинстве случаев считается негативным и плохо контролируемым явлением.
Зависимость общего энергопотребления в процессе литья представлена на рисунке 4. Ее анализ показывает, что существенного влияния на энергопотре-
бление красящие вещества - суперконцентрат и жидкий краситель не оказывают. Порошкообразный краситель может увеличивать энергопотребление в целом.
Картина несколько меняется при увеличении скорости впрыска. При этом снижение вязкости полимера сказывается крайне положительно. В процессах где реализуется мощный скоростной впрыск, доля затрат энергии на эту операцию растет. На специальных тестовых образцах с индексом длины течения ^ более 120 (тонкостенное литье) удавалось снизить максимальное давление литья на 5-12 % при различном содержании добавок. Это позволяет изготавливать более тонкостенные изделия, что экономически крайне выгодно.
9,5
9 25
' 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Содержание двуокиси титана в композиции, мае. ч.
-»- Суперконцентрат Порошковый краситель - Жидкий краситель
Рисунок 4. Зависимость общего энергопотребления от содержания добавок для различных способов окрашивания.
Выводы
Использование различных способов окрашивания не обеспечивает значимого снижения энергопотребления при литье изделий из пластмасс на стадии плавления, но приводит лишь к перераспределению баланса механических и «тепловых» энергетических затрат.
Применение жидких красителей (а в некоторых случаях и суперконцентратов) позволяет снизить максимальные давления литья, что является особенно ценным при литье тонкостенных изделий на больших скоростях впрыска.
Снижение доли диссипативного тепла в процессе плавления и впрыска полимера при применении суперконцентратов и жидких красителей должно существенно снижать эффект механодеструкции полимера.
Применение метода опудривания (порошковый краситель) увеличивает энергопотребления при любых концентрациях добавки.
Анализ полученных данных показал, что, несмотря на отсутствие существенного снижения энергопотребления ТПА в целом, нагрузка на механическую составляющую ТПА снижается существенно. Представленный вывод имеет очень важное практическое значение, т.к. именно эта часть ТПА является наиболее уязвимой для износа и поломок.
Литература
1. Schwachulla T. All-electric as a competitive edge // INJECT Sumitomo (shi) Demag Magazine. 2011. № 1. URL: https://www.sumitomo-shi-demag.eu/fileadmin/_migrated/ content_uploads/Inject_1_2011_en.pdf (дата обращения: 25.05.2017)
2. Dimmler G., Mairhofer F., Kappelmüller W. High Performance, Not Only for Precision Mini Components// Kunststoffe international. 2014. №2 URL: https://www. engelglobal.com/ru/ru/reshenija/litevye-mashiny/e-motion. html (дата обращения: 25.05.2017)
3. All-electric KraussMaffei PX series sets a course for China. URL: http://www.kraussmaffei.com/
imm-ru/presse.html (дата обращения: 25.05.2017)
4. Бастиан М. Окрашивание пластмасс / Пер.с нем. под ред. В.Б. Узденского- СПб.: Профессия, 2011. 424 с.
5. Мюллер А. Окрашивание полимерных материалов / Пер. с англ. С.В. Бронникова СПб.: Профессия, 2006. 280 с.
References
1. Schwachulla T. All-electric as a competitive edge // INJECT Sumitomo (shi) Demag Magazine. 2011. № 1. URL: https://www.sumitomo-shi-demag.eu/fileadmin/_migrated/ content_uploads/Inject_1_2011_en.pdf (data obrashhenija: 25.05.2017)
2. Dimmler G., Mairhofer F., Kappelmüller W. High Performance, Not Only for Precision Mini Components// Kunststoffe international. 2014. №2 URL: https://www. engelglobal.com/ru/ru/reshenija/litevye-mashiny/e-motion. html (data obrashhenija: 25.05.2017)
3. All-electric KraussMaffei PX series sets a course for China. URL: http://www.kraussmaffei.com/imm-ru/presse. html (data obrashhenija: 25.05.2017)
4. Bastian M. Einfarben von Kunststoffen. Produktanforderungen Verfahrenstechnik Prüfmethodik. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG. 2010. 434 р.
5. Müller A. Coloring of Plastics. Fundamentals Colorants Preparations Carl Hanser Verlag, Muhich/FRG. 2003. 278 p.
