Materiale polimerice si compozite. © UPB

1

Materiale polimerice şi

compozite

Curs 4:

- Metode de prelucrare a polimerilor termoplastici

Extruderea

Principiul extrudării: trecerea polimerului adus în stare de topitură (fluidă)

printr-o filieră de formă corespunzătoare (sectiunii transversale a) produsului

finit, sub acţiunea unor forţe de presiune generate de extruder.

- cea mai utilizată tehnologie de formare a produselor finite şi semi-finite din

polimeri (peste 50%)

Avantajele utilizării procedeului de extrudere la prelucrarea polimerilor:

- costuri scăzute de prelucrare

- costuri reduse ale reperelor (subansamblelor)

- capacitate de producţie ridicată

- secţiune transversală uniformă a reperelor

- posibilitatea utilizării unui număr însemnat de polimeri

- posibilitatea colorării polimerilor direct în extruder

Materiale polimerice si compozite. © UPB

2

Rolurile extruderului:

- dozează şi transportă materialul granular (pulverulent)

- încălzeşte şi topeşte polimerul

- omogenizează topitura

- generează presiunea necesară pentru trecerea polimerului prin filieră

Extruderea

Utilizare: - obţinerea de filme, folii, plăci şi tuburi.

Extruderea foliilor

- se obţin prin extrudere cu cap de filare cu duză lată

- polimerul este extrudat la temperaturi cât mai mari, pentru a reduce la

minim viscozitatea topiturii

- răcirea se realizează cu aer, prin imersare directă în apă, pe cilindri

răciţi în interior sau combinaţii ale acestor variante.

- grosimea foliei – până la 0,2 - 0,3 mm (limită inferioară)

Materiale polimerice si compozite. © UPB

3

Extruderea foliilor

Etirarea

- foliile extruse prin acest procedeu sunt supuse de regulă etirării, proces ce

se realizează la temperaturi apropiate de temperatura de curgere

- prin etirare foliile se subţiază → macromoleculele se orientează → creşte

rezistenţa la tracţiune şi se reduce alungirea la rupere → avantaj

pentru filmele supuse eforturilor - ambalaje alimentare

- gradul de etirare atinge 200-600 % faţă de dimensiunile iniţiale

- există şi posibilitatea etirării biaxiale, caz în care după încălzire, folia

este trecută prin două operaţii succesive longitudinal şi transversal

Extruderea plăcilor

- obţinerea plăcilor plane de diferite grosimi (PS, ABS, PP, PE)

- plăcile subţiri sunt utilizate pentru obţinerea ambalajelor alimentare prin

termoformare (pahare, containere, farfurii, tăvi şi caserole pentru margarină,

iaurt, deserturi, etc)

- sistem de netezire a

plăcilor (calandru cu

cilindri lustruiţi) →

cilindrii sunt termostataţi

prin circulaţie de fluid →

răcirea progresivă şi

controlată a plăcilor după

netezirea suprafeţelor

- instalaţie de tăiere

Materiale polimerice si compozite. © UPB

4

Coextruderea plăcilor

Coextruderea = extrudere simultană a mai multor straturi de material (de la

două sau mai multe extrudere) prin aceeaşi filieră.

- Un singur extruder poate depune unul sau două straturi de polimer.

- Fiecare extruder trebuie să asigure o curgere laminară a topiturii de

polimer → pentru evitarea amestecării straturilor.

- se pot obţine folii/plăci cu 2-9 straturi - grosime minimă 30 - 120 μm.

- Polimeri: PET, PE, PS, ABS, PMMA

- Fiecare strat are un rol bine determinat:

- contactul direct cu alimentul

- barieră la arome, CO2, O2- compatibilizarea sau adeziunea

altor straturi

Extruderea foliilor şi filmelor suflate

Principiul metodei → extruderea continuă a unui tub cu pereţi subţiri →

tubul este ulterior “umflat” cu ajutorul unei suprapresiuni de gaz

Materiale polimerice si compozite. © UPB

5

Extruderea foliilor şi filmelor suflate

Caracteristici:

- etirare transversală → presiunea gazului duce la creşterea diametrului →

raportul dintre diametrul tubului suflat şi cel al fantei de extrudere =

2:1 – 3:1 (uzual)

- etirarea longitudinală → asigurată de rolele de tragere şi aplatizare

- proprietăţi uniforme pe ambele axe → este necesar ca etirarea

longitudinală = etirarea transversală

- cel mai simplu, productiv şi economic procedeu de fabricare a foliilor

- grosimea variază de la câţiva microni la zecimi de mm.

- diametrul foliilor variază de la câţiva cm până la 24 m

- procedeul aplicabil pentru filme din PEÎD, PEJD, PEJDL şi PP.

Coextruderea foliilor suflate

Procedeul permite combinarea unor materiale termoplastice de naturi diferite:polietilenă - poliamide, polietilenă – polistiren.

Materiale polimerice si compozite. © UPB

6

Folii termocontractibile

Etirarea mono sau bidirecţională a foliilor la temperaturi puţin peste

temperatura de vitrifiere, urmată de răcirea rapidă → tensiuni interne.

Folii contractibile din: PEJD, PEÎD, PEJDL, PP, PET, PVC etc.

La reîncălzire → tensiunile interne tind să se relaxeze, folia revenind

practic la dimensiunile iniţiale, anterioare etirării → „memoria

materialelor plastice”

Folia etirată (denumită contractibilă) la încălzire se contractă datorită

eliberării tensiunilor interne → „încorsetarea” obiectului ambalat

într-o peliculă transparentă, etanşă şi elastică

Extrudere-suflare corpuri cave

- butelii (sticle, flacoane) şi alte tipuri de corpuri cave (goale la interior).

Polimeri utilizaţi: PE, PP, PVC, PET, PS, ABS, PA

- în interiorul tubului se suflă aer comprimat → tubul din

polimer, aflat în stare visco-plastică este dilatat până

la pereţii matriţei în contact cu care se răceşte

Etape:

- extruderul debitează continuu un semifabricat sub formă de tub

- tubul se introduce între bacurile unei matriţe care

definesc conturul exterior al produsului dorit- matriţa se închide apoi, închizând totodată şi capătul

tubului debitat

- deschiderea matriţei şi scoaterea piesei

Materiale polimerice si compozite. © UPB

7

Formarea prin injecţie

Principiul metodei → injectarea polimerului topit într-o matriţărece la o presiune foarte mare.

Formarea prin injecţie

Materiale polimerice si compozite. © UPB

8

Formarea prin injecţie

Avantaje:

• Viteză ridicată de formare

• Precizie deosebită a obiectelor formate

• Pierderi minime prin rebuturi

• Prelucrări minime ale pieselor (obiectelor) finite injectate

• Complexitatea obiectelor obţinute este virtual nelimitată

• Dimensiuni variate: de la foarte mici (< 1 g) la foarte mari (> 50 kg)

• Se pot obţine obiecte din materiale plastice expandate

• Posibilitatea automatizării integrale a întregii linii de injecţie

• Posibilitatea obţinerii de obiecte prin injecţie-suflare (ptr. sticle din PET)

Dezavantaj principal: preţul ridicat a agregatelor de injecţie (matriţei).

Formarea prin compresie

Principiul metodei: polimerul topit este presat în matriţă

Etapele formării prin compresie:

I - alimentarea matriţei deschise cu material polimeric (granule, pastile, pulbere, semifabricat preformat). Polimerul poate fi preîncălzit → scurtarea ciclului de formare.

IV - ejectarea piesei din matriţă cu ajutorul unui aruncător

II - închiderea, încălzirea polimerului (uniformă în toată masa) până la temperatura de topire şi presarea cu ajutorul părţii superioare a acesteia (de regulă acţionată hidraulic).

III - răcirea uniformă a obiectului format prin presare până la temperatura indicată pentru scoatere.

Materiale polimerice si compozite. © UPB

9

Formarea prin compresie

- productivitate: până la 100.000

preforme/oră

- cilindrii din polimer sunt debitaţi

de un extruder vertical

- 48 cavităţi de formare dispuse pe

un carusel rotitor (aprox 10

rot/min)

- presiune poanson - 2 t

- ciclul de formare - 6,5 s → 90%

presare

- post-răcire pe bandă-rulantă →

suflare de aer rece în

interiorul preformelor

Obţinerea preformelor pentru sticlele din PET

Preform Advance Molding (PAM) – 2007

Formarea prin compresie

Avantaje:

- posibilitatea obţinerii de obiecte cu dimensiuni mari

- pierderi reduse de polimer

- minimizarea stresului intern şi a deformării pieselor

- acurateţe şi stabilitate dimensională excelentă

- contracţie redusă şi reproductibilă

- bună finisare a suprafeţei obiectelor formate

- productivitate ridicată a procedeelor moderne care combină

formarea prin compresie cu injecţia sau extruderea

Dezavantaje:

- productivitate scăzută a tehnologiei clasice

- nu este indicată pentru obiecte fragile sau cu forme complexe

- adâncimea cavităţii limitată la 2-3 ori diametrul acesteia

- cantitatea de material introdus în matriţă trebuie strict controlată

Materiale polimerice si compozite. © UPB

10

Formarea prin turnare centrifugală

Principiu: fabricarea pieselor goale în interior într-o singură etapă utilizând

temperatura şi rotaţia biaxială.

Etapele formării:

- introducerea pulberii sau pastei de polimer, cântărită în

prealabil, într-o formă metalică goală

- răcirea obiectului, timp în care rotaţia formei continuă

- forma se închide etanş şi se supune unei rotaţii, simultan

cu încălzirea acesteia. Polimerul este astfel topit şi

distribuit pe pereţii formei datorită forţei centrifuge

- după răcire forma se deschide şi produsul obţinut este

scos din aceasta.

Formarea prin turnare centrifugală

Pentru demularea obiectului:

- folosirea de agenţi de demulare:

Polimeri prelucraţi prin această metodă: PE (peste 80%), PP, PVC, PA, PC...

- de unică folosinţă - se aplică la obţinerea fiecărui obiect în parte, se

îndepărtează odată cu ejectarea obiectului din formă - compuşi

siliconici

- semipermanenţi, care se aplică pe suprafaţa formei şi rezistă la un

număr însemnat de cicluri - polisiloxani

- acoperirea permanentă a matriţei cu teflon

Materiale polimerice si compozite. © UPB

11

Formarea prin turnare centrifugală

Avantaje:

- obţinerea de obiecte complicate ca design, cu volume foarte variate (5 - 25.000 l)

- posibilitatea varierii grosimii peretelui funcţie de necesităţi

- preţ redus al utilajelor → se lucrează la presiune normală

- uniformitate a grosimii peretelui, care nu este subţiat la extremităţi.

- rezistenţă la fisurare şi la coroziune → datorită absenţei stresului intern

Dezavantaje:

- încălzirea/răcirea ansamblului matriţă + polimer → consumuri energetice ridicate

- durata mare a etapei de încălzire + temperatura ridicată din cuptor → pot

determina degradarea termică a polimerului

- presiune atmosferică → în interiorul matriţei aer → oxigenul poate determina

degradare termo-oxidativă → stabilizarea polimerilor cu antioxidanţi

Termoformarea

Avantaje faţă de injecţie:

- arie de aplicabilitate mai largă → datorită matriţelor mai ieftine, presiunii şi

temperaturii mai scăzute

- formarea uşoară a articolelor cu pereţi subţiri, dificil de realizat prin alte tehnici

- productivitate foarte ridicată

- investiţii de capital mai mici

Procedeul permite obţinerea obiectelor sau semi-fabricatelor din plăci sau folii

din materiale plastice.

Obiectele se formează la temperaturi ridicate (imediat sub temp. de curgere) ca

urmare a deformării înalt elastice a termoplastelor.

Materiale polimerice si compozite. © UPB

12

Termoformarea

Termoformarea sub vacuum

- foarte utilă pentru farfurii şi pahare de unică folosinţă.

Etape:

1 - Placa din material plastic este supusă încălzirii (rezistenţă

electrică sau IR)

Se prelucrează cu succes materialele plastice amorfe:

PVC, PS, ABS, PC, etc.

4 - Obiectul obţinut este întărit prin contactul cu suprafaţa

rece a matriţei şi apoi este extras din aceasta.

2 - Placa încălzită este plasată peste cavitatea concavă a matriţei

3 - Prin aplicarea vacuumului placa este trasă şi ia forma

matriţei

Termoformarea

Termoformarea asistată de un poanson

- o variantă a formării sub vid → permite obţinerea de

piese cu înălţime mai mare

- utilizează o matriţă negativă (cu cavitate concavă)

Termoformare cu matriţă pozitivă

- articole cu raportul H:D aprox. 4:1

- matriţele pozitive - mai uşor de construit decât cele negative

→ mai ieftine

- control mai bun al dimensiunilor interioare ale articolelor

- se recomandă preîncălzirea matriţei până la 80-100°C.vid

Materiale polimerice si compozite. © UPB

13

Termoformarea

Termoformare sub presiune

Procedeu similar cu termoformarea sub vid, cu deosebirea că vacuumul este înlocuit cu aer fierbinte sub presiune.

Termoformarea

Termoformarea în flux

- placa din material plastic este debitată direct din extruder

- trece printr-un cuptor pentru menţinerea ei la temperatura de formare

- intră în instalaţia de termoformare

- operaţiile secundare (printare, ştanţare, debavurare etc) sunt incluse în flux

- toate etapele procesului de formare trebuie să fie sincronizate cu viteza de

debitare a plăcii de către extruder

- proces mult mai greu de controlat comparativ cu alte procedee de

termoformare.

Procedeul este destinat fabricării ambalajelor alimentare cu pereţi subţiri

(farfurii, tăvi, ceşti, pahare etc).

Materiale polimerice si compozite. © UPB

14

Laminarea – Folii multistrat

Laminarea – procesul de unire a unei folii din material plastic cu

altă folie prin intermediul căldurii şi/sau presiunii, uzual utilizând un adeziv.

Laminatul – două sau mai multe straturi – identice sau diferite

Laminarea cu pelicule polimerice → pentru hârtie, carton şi aluminiu.

Scopul laminării: conferirea unor proprietăţi specifice,

indispensabile pentru ambalajele alimentare:

- impermeabilitatea faţă de apă

- permeabilitate selectivă pentru anumite gaze

- proprietăţi mecanice - păstrarea formei ambalajului după umplere

Laminarea – Folii multistrat

- folia de polimer ce urmează a fi

aplicată pe substratul de hârtie sau

aluminiu este debitată cu ajutorul

unui extruder cu fantă lată.

Procedee combinate extrudere-laminare

- se pot obţine laminate cu folie de

polimer pe o singură faţă sau pe

ambele feţe.

- folia în stare viscoelastică aderă de

substrat fără să mai fie nevoie de

adeziv, prin presarea între role

1 - substrat; 2 - extruder;

3 - folie de polimer; 4 - role de laminare;

5 - role conducătoare ; 6 - laminat.