Kỹ thuật gia công polime

Kỹ thuật gia công polime ths đỗ thành thanh sơn

KT GIA CÔNG POLIME

Giảng viên:

ThS ĐỖ THÀNH THANH

SƠN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• E.C.Bernhardt, Processing of Thermoplastic

Materials, Reinhold, NY, 1959

• W.J.S.Nauton The Applied Science of

Rubber, Edward Arnold Pub., London, 1961

• J.M Mc Kelvey, Polymer Processing, John

Wiley&Son NY, 1962

• F Hensen, Plastic Extrusion Technology,

Hanser Pub., Munich, 1988

• Technical Documents

CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN

CỦA CÔNG NGHỆ GIA

CÔNG POLIME

Chương 1

Chương 1.

• Vật liệu polime

• Đặc điểm của CN gia công polime

• Các quan hệ trong CN gia công polime

• Các phương pháp gia công

1.1.1 Khái niệm về vật liệu

Tính chất chính của polime bán kết tinh Điểm chảy rõ ràng – Khó tạo hình nhiệt – Trong mờ – Kết dính kém – Độ bền nứt ứng suất cao – Độ bền mỏi cao – Thích hợp cho các ưng dụng chịu lực, chịu

mài mòn và sản phẩm kết cấu.

Tính chất chính của polime vô định hình Khoảng nhiệt độ mềm rộng – Dể tạo hình nhiệt – Trong suốt – Kết dính tốt – Độ

bền nứt ứng suất thấp – Độ bền mỏi thấp – Thường sử dụng trong sản phẩm kết

cấu (Không dùng trong ứng dụng chịu lực và mài mòn)

Vật liệu

PE – PP Poli etil penten

Tính chất chính Giá thấp – Chịu nhiệt thấp – Độ bền thấp – Chịu hoá chất tốt – Ma sát thấp – Không hút ẩm – Tính chất điện

tốt – Dai

Vật liệu Acrylis – PS ABS – PVC PETG - CAB

Tính chất chính Giá thấp – Chịu nhiệt thấp – Độ bền thấp – Ổn định

kích thước – Kết dính tốt - Trong suốt

Polime thông dụng bán kết tinh Polime thông dụng vô định hình

Vật liệu Nylon - Acetal PET – PBT UHMW PE

Tính chất chính Giá trung bình – Chịu nhiệt trung bình - Độ bền cơ trung binh – Chịu hoá chất tốt – Chịu mài mòn – Ma sát thấp –

Kết dính kém

Vật liệu Policarbonat PPO biến tính PPE biến tính

Tính chất chính Giá trung bình – Chịu nhiệt trung bình - Độ bền cơ

trung binh – Bền va đập – Trong mờ – On định kích

thước – Tính chất quang tốt

Polime kỹ thuật bán kết tinh Polime kỹ thuật vô định hình

Vật liệu PDVF - PTFE PPS - PFA

Tính chất chính Giá cao – Chịu nhiệt cao - Độ bền cao - Tính chất điện tốt – Ma sát nhỏ - Chịu hoá chất rất tốt – Dai

Vật liệu Polisulfon Poli ete imid Poli ete sulfon

Tính chất chính Giá cao – Chịu nhiệt cao - Độ bền cơ cao - Độ cứng

cao – Chịu hoá chất - Trong suốt – Chịu nước nóng

Tính chất chính Giá cao - Chịu nhiệt cao > 4000F Tính chất điện rất tốt - Ổn định kích thước tốt

Hệ số ma sát thấp

Polyimid

Thuật ngữ chuyên môn

me: đơn vịMonome: cấu trúc 1 đơn vịDime : cấu trúc 2 đơn vịTrime : cấu trúc 3 đơn vịTetrame: cấu trúc 4 đơn vịOligome: cấu trúc một số đơn vị Polime : cấu trúc nhiều đơn vịPre-polime: cấu trúc sơ khởi để tạo polime

Thuật ngữ chuyên môn (tt)

Homopolime: polime tạo bởi một loại đơn vị cấu trúcCopolime: polime tạo bởi 2 loại đơn vị cấu trúc

Heteropolime: polime tạo bởi nhiều loại đơn vị cấu trúc

Phân loại polime

Polime là hợp chất cao phân tử mà cấu trúc của nó là tập hợp nhiều đơn vị cấu trúc có tính lập lại Các đơn vị này liên kết nhau bởi liên kết cộng hoá trị.

Cấu trúc :

Nhựa nhiệt dẻo, cao su chưa lưu hoá

Nhựa nhiệt rắn, cao su lưu hoá

Phân loại polime (tt)

Tính chất vật liệu:

Trạng thái pha:

Polime kết tinh, vô định hình,

tinh thể lỏng

Polime vô định hình Polime bán kết tinh

Polime vô định hình, kết tinh

Các dạng cấu trúc tinh thể

Fringed-micel Paracrytalline

Lamellae

Các dạng cấu trúc tinh thể

Shish-kebab Spherulite

Phân loại polime (tt)

Atactic: nhóm R nằm thay đổi ngẫu nhiên

Atactic polime là polime vô định hình

Isotactic va syndiotactic polime có thể kết tinh

Trạng thái vật lí đặc trưng

Trạng thái pha cơ bản của polime vô định hình:

Trang thái pha cơ bản của polime kết tinh:

Trạng thái pha của polime vô định hình

Tg Tv

Trạng tháiThuỷ tinh

Trạng tháiCao su

Trạng tháiChảy nhớt

Dao độngNguyên tử

Dao độngĐoạn mạch

Chuyển độngPhân tửTg: Nhiệt độ hoá thuỷ tinh

Tv: Nhiệt độ chảy nhớt

Trạng thái pha của polime kết tinh

Tm

Trạng tháiKết tinh

Trạng tháiNóng chảy

Dao độngNguyên tử trong mang tinh thể

Chuyển độngPhân tửTm: Nhiệt độ nóng chảy

Đặc điểm lưu biến của vật liệu polime do:

Trong quá trình lưu biến có sự tranh chấp giữa:

1.1.2 Tính chất lưu biến của

polime

Các dạng biến dạng

e=(y0-y)/y0 c=(y-y0)/y0 s= x/y0

x x+x Biến dạng kéo Biến dạng nén Biến dạng trượt

Đường cong chảy

 (Pa)

Vùngchuyển tiếp

VùngNewton

VùngNewton

Độ nhớt của polime

lưu chất khi chảy

Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của polime

Bản chất polime:

Điều kiện gia công:

Ảnh hưởng của MW, Ip và 

So sánh 2 loại polime khác nhau

(Pa-s)

BA

Đường cong biến dạng

Đường cong biến dạng

Đường cong biến dạng

Yếu tố ảnh hưởng dạng đường cong biến dạng

Chiều tăng độ kết tinh

Yếu tố ảnh hưởng dạng đường cong biến dạng

Tính chất phụ thuộc thời gian

Hiện tượng từ biến

Vùng biến dạng của vật liệu

Vùng biến dạng của vật liệu

 Độ bền nhiệt.

1.1.3 Tính chất nhiệt của

polime

 Khối lượng phân tử

1.1.4 Quan hệ Cấu trúc – Tính chất vật

liệu

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 1

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 2

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 3

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 4

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 5

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 6

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 7

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 8

For polysulfone Tg > 500C; flexible ether linkages increase mobility and bring the Tg to 190C

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 9

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 10

Cấu trúc – Tính chất vật liệu 11

 Đặc điểm chảy của vật liệu trong quá trình gia công.

polime

1.2 Đặc điểm của CN gia công

polime

1.2.1 Đặc điểm

chảy.

Dòng chảy nhớt – dòng chảy áp suất.

Profil vận tốc:

* dòng chảy nhớt có dạng thẳng

* dòng chảy áp suất có dạng parabol hay parabol biến dạng

Tiết diện chảy có thể thay đổi dọc theo chiều dài chảy do quá trình làm nguội

Quá trình chảy không đẳng nhiệt

Quá trình chảy – Quá trình định hướng phân tử

Quá trình chảy – Quá trình đốt nóng

1.2.2 Các phương pháp

đốt nóng

Đốt nóng bề mặt.

Đốt nóng nội:

* Đốt nóng bằng ma sát nhớt

* Đốt nóng bằng dòng điện cao tần

* Đốt nóng bằng siêu âm

Bằng dẫn nhiệt:

Td: Đốt nóng trong khuôn, trong xy lanh nguyên

liệu

Bằng đối lưu nhiệt:

Td: Đốt nóng trực tiếp bằng hơi nước, bằng không khí

nóng

Đốt nóng bằng bức xạ:

Td: Đốt nóng bằng đèn hồng ngoại

ĐỐT NÓNG BỀ MẶT

ĐỐT NÓNG NỘI

Bằng bằng ma sát nhớt:

Bằng dòng điện cao tần:

Bằng siêu âm.

2.

G       

2 14

213.3 10 fV tan

TA TB TA TB

Đốt nóng bề mặt Đốt nóng nội

1.3 QUAN HEÄ TRONG CN GIA COÂNG

POLIME

SẢN PHẨM

1.3.1 Quan hệ

SP-GC-VL

SẢN PHẨM

VẬT LIỆU

Tính chất sử dụngĐiều kiện sử dụngGiá cả

Hình dạng

Tính chất sản phẩm

Điều kiện sử dụng

Giá thành SP

SẢN PHẨM

GIA CÔNG

Hình dạng SPDung sai kích thướcGiá cả, sản lượng

PP gia công

Thông số gia công

Thiết bị gia công

VẬT LIỆU

GIA CÔNG

Tính chất nhiệtTính chất lưu biếnTính chất hoá học

PP gia công

Thiết bị gia công

Các giới hạn của TB

1.3.1 Quan hệ chất lượng SP-

Gia công

SẢN PHẨM

SẢN PHẨM

1.4 Phân loại PP Gia

công

Theo chức năng:

tạo hình nhiệt, đổ khuôn

Theo điều kiện gia công và trạng thái vật liệu:

Đúc ép, đúc chuyển, đùn, ép phun

Tạo hình nhiệt

Gia công cơ khí

Rót khuôn nóng

Đóng rắn nguội các nhựa nhiệt rắn Epoxy, UPE, PMMA

HEÁT CHÖÔNG 1

CÔNG NGHỆ TRỘN

Chương 2

 POLIME VÀ PHỤ GIA

 Lý do phải sử dụng phụ gia:

1 Polime thuần thường không đáp ứng được yêu cầu sử dụng của sản phẩm polime.

2 CN trộn có thể cho ra một loại vật liệu mới dể dàng hơn là sản xuất một polime mới.

3 Đáp ứng nhanh yêu cầu của thị trường.

2.1 POLIME VÀ PHỤ GIA

 Mục đích của việc trộn:

1 Cải thiện tính chất sử dụng của sản phẩm.

2 Cải thiện ngoại quan của sản phẩm.

3 Giảm giá thành sản phẩm.

4 Cải thiện tính chất gia công của bán thành phẩm.

1 Tương tác giữa polime và phụ gia.

2 Mỗi polime có một nhiệt độ trộn tối ưu: mức độ

giảm cấp thấp nhất.

3 Tính chất lưu biến của polime ảnh hưởng rất lớn

đến quá trình trộn.

4 Quá trình trộn thực hiện bởi tác động cơ học của

các chi tiết máy trộn.

 Hiệu quả và chất lượng của quá trình trộn.

phụ thuộc:

Tác động cơ và nhiệt đến sự giảm

Ảnh hưởng của tính chất lưu biến

 Vật liệu có biến dạng đứt rất thấp.

 Vật liệu có biến dạng kéo đứt thấp.

 Vật liệu chảy.

Thí dụ BR ở nhiệt độ 100 – 1250C

 Vật liệu chịu kéo có biến dạng kéo đứt lớn.

Thí dụ NR

Loại 1 Loại 2

Than đen

SBR và BR ở nhiệt độ thấp

BR ở nhiệt độ cao

NR ở nhiệt độ thường

Ảnh SEM của SBR/Than đen

Trục côn

Banbury

Vít cùng chiều

Tác dụng kết dính các hạt nước li ti thành một màng nước liên tục, trong suốt

Là các chất tăng tính thấm ướt của màng polime: sorbitan, etoxylat, sorbitan fatty acid ester, glycerol fatty acid ester, alcol etoxylat

Yếu tố quyết định sự lựa chọn:

Bề dày màng - Điều kiện gia công - Các phụ gia ổn định nhiệt

Độ tương hợp – Độ li trích – Thời gian hoạt động – Dạng

Phương pháp gia công: nhúng, phun, trộn khô, đùn

1 Chất chống bám sương

(Antifogging)

Vi sinh vật sử dụng polime hay phụ gia làm nguồn dinh dưởng, phát triển trên bề mặt polime, gây phân huỷ polime.

2 Chất chống vi sinh vật

(anyimicrobials)

Chất chống vi sinh vật

(Antimicrobials)

Lựa chọn cẩn thận polime và phụ gia cho chúng.

Td: Đối với PVC mềm

 Các hoá dẻo ít bị tác động của vi sinh vật:ptalat,

polime ester, citrat, và hidrocarbon clor hóa

 Các hoá dẻo bị tác động trung bình: adipat,

azelat và pentaeritol ester.

 Các hoá dẻo dễ bị tác động: sebacat, dầu epoxi

hóa, glycolat

Chất chống vi sinh vật

(Antimicrobials)

Lưu ý nồng độ chất chống vi sinh vật tại bề mặt.

 Nồng độ bề mặt phải đủ lớn

 Tốc độ di chuyển ra bề mặt không lớn quá đề

kéo dài thời gian bảo vệ.

 Việc sử dụïng các chất bảo vệ phải tuân thủ

theo qui định sử dụng các chất sát trùng, chất độc hại

2-n-octyl-4-isotiazolin-3-on và 10,10’-oxy bisphenol xarsin

Có 2 loại chất chống oxy hoá.

 Chất chống oxy hoá sơ cấp: ngăn chặn việc tác

kích của oxy trên polime

 Chất chống oxy hoá thứ cấp: phá huỷ các

peroxid thánh các chất bền.

Oxy hoá polime đưa đến giảm cấp polime

3 Chất chống oxy hoá (antioxidant)

Chất chống oxy hoá sơ cấp

Phenol ít bay hôi

Chất chống oxy hoá thứ cấp

 Phosphite thường sử dụng làm chất chống oxy hoá phụ cho các phenol

O P

C9H19

Thường sử dụng cùng phenol

S(CH 2 CH 2 CO 2 R) 2

4 Chất chống tỉnh điện

(Antistatic)

Tỉnh điện trên bề mặt của polime có thể gây ra:

 Sự phát tia lửa,

 Gây hút bụi,

 Làm màng polime bám vào thân thể

Chaát huùt aâm ñieån hình: ethoxylated amines

RN CH 2 CH 2 OH

CH 2 CH 2 OH

 Nhựa màu (precolor): dể sử dụng, ít gam màu,

phải tồn trử riêng

bụi, dễ nhiễm màu, khó làm sạch thiết bị trộn

sạch, ít gây nhiễm màu, đôi khi không tương hợp với polime

color) thường ở dạng hạt, vẩy, dễ sử dụng.

5 Chất màu

6 Chất chống cháy (Flame retardant)

Cơ chế chống cháy

 Hấp thu nhiệt bằng cách giải phóng nước

Al2O3.3H2O

 Tạo thành lớp than cách li polime với ngọn lửa và nguồn nhiệt.

Phosphat ester (RO)3PO

 Ngăn chặn quá trình tạo gốc tự do trong pha hơi.

Hợp chất clo và brom hữu cơ

7 Chất bôi trơn (lubricant)

1 Chất bôi trơn nội: cải thiện quá trình chảy

2 Chất bôi trơn ngoại: giúp tách khuôn

Thí dụ:

Amid của acid béo RCONH2Ester của acid béo RCOOR’

Muối acid béo RCOO-M+

Sáp bôi trơn

8 Chất hoá dẻo (Plasticizer)

Chất hoá dẻo tương hợp tốt với polime

1 Chất hoá dẻo sơ cấp: khả năng hoá dẻo/đơn vị

khối lượng cao Thí dụ các ester hữu cơ.

2 Chất hoá dẻo thứ cấp: phải sử dụng thêm với

các hoá dẻo khác Thí dụ các dẫn xuất dầu hoả.

- Polime là loại kết tinh hay vô định hình?

- Có ứng suất đàn hồi lớn hay nhỏ?

- Dể bị nứt do chịu ứng suất trong môi trường?

1 Chất biến tính bền va đập cao: dùng cho sản

phẩm đục cần có độ bền va đập cao

2 Chất biến tính bền va đập trong suốt: dùng khi

cần có độ bền va đập và tính chất quang cao

3 Chất biến tính nhiệt độ biến hình nhiệt: dùng để

tăng nhiệt độ sử dụng của PVC

Đối với PVC có 6 nhóm biến tính

4 Chất biến tính đa dụng: dùng khi cần cải thiện

các tính chất bền va đập, nhiệt độ biến hình nhiệt cao và mềm dẻo ở nhiệt độ thấp

5 Chất biến tính chịu thời tiết: dùng cho các sản

phẩm ngoài trời, chịu tia UV

6 Chất trợ gia công: cải thiện tính chất chảy của

PVC bằng cách giảm thời gian chảy

2.2 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ

TRỘN

Thiết bị trộn khô Thiết bị trộn pát

2.2.1 Thiết bị trộn khô

Cơ chế trộn:

 Chuyển động nhỏ: Khuếch tán

 Chuyển động lớn:

Đối lưu Trượt

Các yếu tố ảnh hưởng

của phụ gia

Đánh giá mức độ trộn

Sự đạt yêu cầu của sản phẩm cuối cùng sẽ là cách đánh giá thực tế tốt nhất hiệu quả trộn

Cần lưu ý đến ảnh hưởng của quá trình trộn

đến hiệu quả kinh tế tổng thể của quá trình sản xuất

Máy trộn thùng quay

Máy trộn ruban

Máy trộn vít đứng

Máy trộn 2 vít

2.2.2 Thiết bị trộn pát

Mục đích và đặc điểm

Quá trình tạo pát đơn giản là phân tán các hạt đơn rời vào pha lõng liên tục và hòa tan các chất vào nhau

Quá trình có thể liên quan đến các phản ứng hóa học Đôi

khi cũng cần phải làm ướt hoặc sấy khô các hạt rắn đền một giới hạn nào đó.

Thường thì trạng thái vật lý của sản phẩm cuối cùng là yếu tố quan trọng, và đó cũng là yếu tố quyết định việc chọn lựa thiết bị trộn và điều kiện gia công

Yếu tố ảnh hưởng sự tách pha

Khối lượng riêng của 2 pha

Khả năng phân tán ở thể keo

Chuyển động Brown của các hạt nhỏ

Độ nhớt của pha liên tục

Loại và hàm lượng chất phân tán, chất làm ướt

pH môi trường

Nhiệt độ

Cơ chế trộn

Các lực va đập và lực trượt phải được tạo ra ở vùng gần cánh trộn

Các tác động gấp, kéo và nén cũng có tác dụng tốt cho

việc sản xuất ra một pát đồng nhất.

Trong quá trình gia công không có các dòng chảy phát sinh ra xa cánh trộn

Đối với các vật liệu có khuynh hướng dính vào cánh trộn

thì phải dùng tác động trượt ở tốc độ thấp vì tạo điều kiện để vật liệu có đủ thời gian về vùng hoạt động Kết hợp với tác động trượt vận tốc thấp các tác động chà xát cũng có hiệu ứng tốt.

Yêu cầu gia công

Thùng trộn phải phù hợp với vật liệu

Vật liệu phải chuyển động dần vào vùng hoạt động bởi sự chuyển động của thùng trộn hay cánh trộn

Các bộ phận hoạt động của máy trộn phải tác động lên vật liệu sao cho có thể đưa vật liệu vào vùng hoạt động với cường độ đủ lớn để có thể phân tán

Sản phẩm phải được lấy nhanh khỏi thùng trộn và thùng trộn phải được làm sạch ngay sau khi tháo liệu

Yêu cầu gia công trên máy trộn liên tục

Sản phẩm phải đạt yêu cầu sau khi đi một bận qua

Phễu nạp liệu phải nạp liệu đồng nhất và sạch vào vùng

hoạt động mà không có phần nguyên liệu nào bị giữ lại.

Thể tích vật liệu trộn phải đủ khi vào vùng hoạt động để có được khối pát đồng nhất Điều này thật cần thiết trong trường hợp máy đùn ở đó vùng hoạt động có tiết diện rất nhỏ và vật liệu chuyển động theo 1 hướng

Để có kết quả tốt hơn hỗn hợp thường phải trộn khô trước

khi đưa vào máy đùn

Thiết bị trộn dùng gia công polime

Máy trộn kín và máy tán

Máy tán: vật liệu được kéo ra, gấp lại và đẩy xuống kết dính

các lớp lại Quá trình này lập lại đến khi có khối vật liệu đồng nhất Đối với máy tán phần trên của vật liệu còn khoảng không và hoạt động trộn là do các cánh trộn và giữa cánh trộn và vách buồng trộn

Máy trộn kín: Phần trên của vật liệu được đậy sát bởi theo

hình của xy lanh và roto Tác động trộn xảy ra ở khoảng hở

giữa đỉnh roto và vách buồng trộn Vận tốc khác biệt giữa các roto là để một roto kéo vật liệu ra khỏi roto thứ hai, làm sạch vật liệu khỏi vùng này