Установка для производства ПЭТ-преформ

Сабсай О.Ю.

1. Назначение

     Установка предназначена для производства «преформ»- заготовок для получения полимерных ёмкостей (бутылок и банок) методом выдувного формования.
     Преформы производят методом литья под давлением. Сырьём для производства преформ служит полиэтилентерефталат (ПЭТФ - русское сокращение, РЕТ - английское сокращение).

2. Описание процесса

2.1. Краткое описание

     Процесс разделяется на две основные стадии:
      -подготовка ( сушка ) сырья,
       -литьё под давлением изделия- преформы.
     Общая схема процесса представлена на схеме 1. На эстакаде 8 установлен бункер 5 в который вакуумным загрузчиком 4 засасывается РЕТ из мешка. На этой же эстакаде 8 расположена система осушки и подачи в бункер воздуха 7, 6. Воздух, проходя через гранулы РЕТ, отбирает от сырья влагу. Сухой РЕТ попадает в литьевую машину 2 в которой он расплавляется и дозируется в пресс-форму 3 . В пресс-форме 3 изделие формуется и охлаждается до твёрдого формоустойчивого состояния. Преформы выгружаются из пресс-формы и цикл повторяется.
     В качестве дополнительных необходимых агрегатов установки используются холодильник 1 и компрессор (на схеме не показан).

Рис. 1. Общая схема процесса производства преформ

Почему требуется высокая надёжность оборудования.      Всё оборудование должно работать круглосуточно, без остановок. Любой сбой в работе установки требует при повторном пуске 4- 5 холостых прогонов. При остановке более чем на 30 минут возникает опасность порчи всего сырья в бункере. Для сохранения сырья бункер остужают, Новый подогрев производится в течении не менее трёх часов.

2.2. Сырьё для производства преформ

     Полиэтилентерефталат - продукт поликонденсации терефталевой кислоты. РЕТ отличает высокая твёрдость наряду с хорошей ударной вязкостью, высокая размерная точность изделий, хорошая текучесть расплава. Полимер стоек против масел, жиров, спиртов, эфира, бензина, слабых кислот, слабых щёлочей. Нестоек против: бензола, сильных кислот и щёлочей, кетонов.(см. статью В.Г.Ракова, Н.М.Шапенкова, Е.А.Прудникова, О.Ю.Сабсай  Прогнозирование гарантийных сроков хранения технических жидкостей в ПЕТ-бутылках., «Пластические массы» №10, 1999г., стр. 18-20.) 
     РЕТ воспламеняется с трудом, Гаснет при удалении пламени.
     Для производства преформ, а следовательно и бутылок, применяют РЕТ специальных марок с повышенной молекулярной массой. Мерой последней является величина «характеристической вязкости» - intrinsic viscosity (IV), которая должна составлять 0.80 +\- 0.02.

2.3. Узел сушки и загрузки преформ

     Почему РЕТ необходимо тщательно высушивать.
     При синтезе и при термодеструкции полиэтилентерефталата выделяется крайне неблагоприятное в физиологическом отношении вещество - ацетальдегид. Это легко летучая жидкость с температурой кипения 20.8 град. С. с характерным запахом, напоминающим запах фруктов. При термодеструкции также резко падает молекулярная масса РЕТ (характеристическая вязкость), что значительно ухудшает эксплуатационные характеристики конечного изделия - бутылки. Катализатором термодеструкции является вода. Полиэтилентерефталат сушат для того, чтобы удалить из него влагу и ацетальдегид. При этом установлено, что для того, чтобы избежать нежелательных последствий, РЕТ следует высушивать до содержаний влаги менее 0.004% (вес.). Для этого применяются специальные сушильные и загрузочные устройства. 
(см. теорию вопроса в статье М.Б. Дубинский, В.М. Лактионов, О.Ю. Сабсай, А.И. Мжельский, М.Л. Фридман, Влияние температуры и влагосодержания на реологические свойства расплавов ПЭТФ. «Пластические массы» №3 1986г.,стр.20-22)
     Сырьё ( рис. 2  ) засасывается из мешка вакуумным загрузчиком ( 4 ). Загрузчик имеет собственное дозирующее устройство с помощью которого порционно РЕТ подаётся в бункер таким образом, чтобы бункер всегда был полностью заполнен сырьём. Сырьё перемещается в бункере сверху вниз так, чтобы время пребывания каждой порции  в бункере было не менее четырёх часов. Снизу в бункер через выходное сопло А (рис. 2. ) подаётся подогретый нагревателем Н воздух. Отобрав влагу от сырья, воздух через фильтр F и холодильник N попадает в адсорбер- осушитель Т и, затем снова в бункер. Адсорберов два. Когда один работает, другой регенерируется. На рис. 2. Заслонки М повёрнуты так, что рабочий, отбирающий влагу, адсорбер - Т1, а регенерируют- Т2. Для этого воздуходувкой G через фильтр F и подогреватель R подают в Т2 горячий атмосферный воздух, который затем выбрасывается через выходную трубу L. В рабочем контуре  (Т1) датчики непрерывно измеряют степень сухости воздуха- «точку росы». Превышение допустимого значения точки росы является сигналом того, что рабочий адсорбер пересыщен , заслонки М автоматически переключаются и роль адсорберов меняется.  

Рис. 2. Схема подготовки сырья при производстве PET-преформ

2.4. Конструкции преформ (рис. 3 ) ( см. также статью Сабсай О. Критерии качества преформ «Тара и упаковка»,№2,1999г., стр.32-33.)      При производстве бутылок подогретую преформу сначала растягивают вдоль оси штоком, а затем раздувают в поперечном направлении высоким давлением. Для получения качественной (оптимальной) бутылки необходимо выдержать строгое соотношение между величинами степеней растяжения вдоль оси преформы и поперёк оси. В зависимости от назначения бутылки варьируется средняя толщина её стенки, а, следовательно, и толщина стенки преформы. Наконец, существуют стандарты на горлышко преформ - самый известный и общепринятый - ВРF 28. Ясно, что в зависимости от объёма бутылки, преформы должны иметь различную массу. Рис. 3. Эскиз преформы

Почему пресс-форма должна быть изготовлена с высокой точностью и чистотой поверхности.      Общая степень растяжения преформы при производстве бутылок порядка десяти (произведение степеней растяжения вдоль и поперёк оси ). Это означает, что любой дефект, который имеет преформа- пятно, царапина, облой в местах стыковки формообразующих частей и т.п. - переходит на бутылку в десятикратном масштабе. Поэтому международные стандарты строго регламентируют требования к качеству поверхности и микродефектам преформ. Для того, чтобы эти требования выполнить необходимо изготавливать пресс-формы с высокой размерной точностью и качеством поверхностей.      Отличительной особенностью пресс-форм для производства РЕТ- преформ является то, что они горячеканальные, Схема горячего канала показана на рис. 5. Справа изображена нижняя часть преформы 1 с пуансоном 2 и матрицей 3. Расплав РЕТ 5 поступает в подогреваемый подогревателем 6 канал, который имеет внутри себя иглу 4. На рис. 5 изображено рабочее положение горячего канала. Игла отодвинута от литника- происходит «впрыск» - формование изделия. По окончании впрыска и уплотнения игла перемещается вперёд, канал закрывается. Изделие охлаждается, выбрасывается из пресс-формы и цикл повторяется. Рис. 5. Горячий канал 1 - преформа, 2 - пуансон, 3 - матрица, 4 - игла, 5 - расплав полимера, 6 - нагреватель, 7 - корпус

Зачем нужны горячие каналы.      а ) Лимитирующей скорость процесса стадией является время охлаждения изделия. В негорячеканальных пресс-формах необходимо охлаждать ещё и литники, масса которых близка к массе преформ. Это приводит к значительному увеличению времени охлаждения т. е. к уменьшению производительности .      б ) Из вторичного полиэтилентерефталата нельзя получить качественную преформу, поэтому дроблённые литники можно было бы добавлять в первичное сырьё в количествах не более 10% ( вес. ), что соответствовало бы потере 40% дорогостоящего сырья.      В комплект поставки пресс-формы входит система управления температурой в горячих каналах. Предусмотрено управление каждым каналом в отдельности.      Почему следует регулировать температуру в каждом горячем канале в отдельности.      Невозможно выполнить все формующие инструменты строго одинаковыми. Между гнёздами, в рамках допустимой размерной точности, всё равно будет некоторая разница. Разница будет и в температурных полях охлаждения. Поэтому, кроме общих требований к качеству преформ, существуют международные стандарты допустимого разброса качества преформ, полученных в разных гнёздах одной и той же пресс-формы. Только выполнение этих требований гарантирует стабильное получение высококачественных бутылок при выдуве. Регулировка температуры в каждом горячем канале в отдельности является мощным средством корректировки качества преформы индивидуально в каждом гнезде.

2.6. Литьевая машина

     Собственно машина и её программное обеспечение должны быть модифицированы применительно к производству РЕТ- преформ. Предусмотрена система управления пневмоавтоматическими устройствами перемещения игл в горячих каналах.

2.7 Холодильник

     Охлаждают масло в гидросистеме литьевой машины, воздух перед адсорбером в системе подготовки сырья, и, самое главное, пресс-форму. Полиэтилентерефталат- кристаллизующийся полимер. Преформу при её производстве следует охлаждать быстро, так, чтобы РЕТ не успел закристаллизоваться и затвердел- перешёл в стеклообразное состояние- сохранив аморфную, некристаллическую структуру, которую он имел в расплавленном состоянии. С точки зрения физика, стекло- та же жидкость, только величина его вязкости столь огромна, что и за сотни лет не удаётся заметить деформаций стеклообразных сред под действием напряжений. С ростом температуры вязкость сильно падает, настолько, что полимер приобретает способность деформироваться за разумные промежутки времени.. На этом и основан способ получения бутылок из преформ - достаточно разогреть преформу до температуры порядка ста градусов, чтобы за секунды из неё можно было выдуть бутылку.
     Но в расплавленном состоянии величина вязкости РЕТ очень низкая - подвижность очень велика и полимер может успеть частично перейти в термодинамически более выгодное- кристаллическое состояние. Визуально это видно по побелению отдельных участков преформы, особенно в области конца сферической части, у литника. Температура плавления кристаллов РЕТ около 250 град. С. и при температуре производства бутылок кристаллические участки преформ деформироваться - формоваться в бутылку не могут.
     В проекте должен быть предусмотрен в составе оборудования мощный холодильник, так, чтобы охлаждение пресс-формы было максимально интенсивным. и величина кристалличности в изделии минимальной. Полностью избежать нежелательной кристаллизации нельзя. Поэтому существуют международные стандарты, регламентирующие допустимую величину степени кристалличности в преформе.

2.8. Компрессор

     Иглы в горячих каналах литьевой формы перемещаются с помощью встроенных в неподвижную плиту пневмоцилиндров. Сжатый воздух в систему перемещения игл поступает от предусмотренного в составе оборудования небольшого компрессора.