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.