Разработка Технологической Схемы и Инженерные Расчеты Производства Полипропиленовой Тары из Полипропилена Методом Экструзионно-Раздувного Формования

Введение

Разработка технологической схемы производства полимерных изделий является краеугольным камнем инженерного проектирования. В контексте производства полой тары (бутылок, канистр) из полипропилена (ПП), метод экструзионно-раздувного формования (ЭРФ) выступает как наиболее рациональный и экономически оправданный подход.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью детального инженерного обоснования всех стадий процесса, начиная от выбора оптимальной марки сырья, заканчивая точным расчетом основного технологического оборудования и внедрением современных систем автоматизации. Целью работы является разработка исчерпывающей технологической схемы производства полипропиленовой тары методом ЭРФ, подкрепленной строгими инженерными расчетами и обоснованием выбора технологических режимов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: определить оптимальные реологические и термические параметры ПП; выполнить проектный расчет одночервячного экструдера с учетом производительности и гидравлических потерь; составить детальный материальный баланс производства; и обосновать применение контрольно-измерительных приборов (КИП) и систем автоматизации, обеспечивающих качество готовой продукции. И что из этого следует? Только полный комплекс этих расчетов гарантирует стабильность и повторяемость процесса, что является критически важным для крупносерийного производства тары.

Выбор и Обоснование Полимерного Материала: Полипропилен для Экструзионно-Раздувного Формования

Физико-химические и механические свойства полипропилена

Полипропилен (ПП) — это термопластичный полимер, занимающий одно из ведущих мест в производстве тары благодаря уникальному сочетанию свойств. ПП обладает низкой плотностью (в диапазоне 0,90–0,91 г/см³) среди всех крупнотоннажных полимеров, что обеспечивает легкий вес готовой продукции.

С точки зрения механических свойств, ПП характеризуется высокой прочностью на изгиб, превосходной химической стойкостью к воздействию большинства органических растворителей, кислот и щелочей. Его термостойкость (температура плавления около 165–170 °C) позволяет использовать ПП тару для горячего наполнения или стерилизации. Однако, решающим фактором для выбора марки ПП для ЭРФ являются не столько его механические свойства в твердом состоянии, сколько его поведение в расплаве.

Реологические и термические требования к полипропилену для ЭРФ

Технология экструзионно-раздувного формования предъявляет специфические требования к реологическим характеристикам расплава полимера. Ключевая особенность ЭРФ заключается в необходимости формирования стабильной вертикально свисающей трубчатой заготовки — парисона. Если вязкость расплава будет слишком низкой, парисон немедленно вытянется под собственным весом, его толщина стенок станет неравномерной, что приведет к браку.

Именно поэтому для ЭРФ используют высокомолекулярные марки полипропилена с низким показателем текучести расплава (ПТР). Согласно техническим требованиям и ГОСТ 11645—2021, оптимальный ПТР для полипропилена, перерабатываемого методом ЭРФ, должен находиться в пределах от 0,5 до 3,0 г/10 мин (измерения проводятся при температуре 230 °С и нагрузке 2,16 кг).

Параметр	Оптимальное значение для ЭРФ	Влияние на процесс
ПТР (230 °С, 2,16 кг)	0,5 – 3,0 г/10 мин	Обеспечивает высокую вязкость и стабильность парисона
Молекулярно-массовое распределение (ММР)	Широкое (Mw / Mn от 3,5 до 5,0+)	Повышает прочность расплава, улучшает формуемость
Температура расплава на выходе	Ниже 220 °C	Поддерживает необходимую вязкость и снижает риск термодеструкции

Такой низкий ПТР соответствует высокомолекулярным маркам с широким молекулярно-массовым распределением (ММР), где коэффициент полидисперсности (M_w / M_n) находится в диапазоне от 3,5 до 5,0 и выше.

Широкое ММР обеспечивает необходимую прочность расплава, позволяя парисону сохранять свою геометрию до момента смыкания пресс-формы, что критически важно для получения равномерной толщины стенок готовой тары.

Оптимальный температурный режим экструзии полипропилена

Контроль температуры в экструдере — ключевой фактор обеспечения качества и стабильности процесса. В целом, типичный температурный режим расплава полипропилена при экструзии находится в широком диапазоне 200–300 °C. Однако для ЭРФ, где требуется поддержание высокой вязкости расплава, используется нижняя граница этого диапазона.

Чтобы обеспечить стабильность высокомолекулярного ПП (ПТР ≈ 1,0–1,5 г/10 мин) и предотвратить его преждевременное вытягивание, применяется **восходящий, но относительно низкий температурный профиль** экструдера:

1. Зона загрузки (питания): 40–80 °C. Низкая температура предотвращает слипание гранул и обеспечивает эффективный транспорт твердого материала.
2. Зона сжатия (компрессии): 175–190 °C. Здесь происходит основное плавление и гомогенизация.
3. Зона дозирования и головка: 195–215 °C. Температура расплава на выходе должна быть ниже 220 °C. Эта относительно низкая температура обеспечивает достаточную вязкость для стабильного формирования парисона.

Проектный Расчет Основного Технологического Оборудования: Одночервячный Экструдер

Определение геометрических параметров экструдера

Одночервячный экструдер является сердцем технологической схемы. Для переработки полипропилена методом ЭРФ требуется высокая степень гомогенизации и эффективная пластификация. Это достигается выбором оптимального соотношения длины шнека к его диаметру (L/D). Для ПП, перерабатываемого методом ЭРФ, рекомендуется использовать экструдеры с соотношением L/D от 20:1 до 36:1.

Основные геометрические параметры, подлежащие расчету и обоснованию, включают:

• Диаметр шнека (D): Определяет общую производительность.
• Длина шнека (L): Задается соотношением L/D.
• Шаг винтовой нарезки (t): Часто принимается равным D.
• Глубина нарезки (H): Варьируется по зонам.
• Ширина гребня витка (e): Влияет на трение и герметизацию.

Соотношение L/D определяет длительность пребывания полимера в цилиндре, что напрямую влияет на качество пластификации и гомогенизации. Более длинный шнек (например, L/D = 30) позволяет использовать более низкие скорости вращения, снижая риск сдвиговой деструкции, что особенно важно для высокомолекулярного ПП. Разве не стоит задаться вопросом: может ли сокращение длины шнека в угоду компактности системы стать причиной скрытых дефектов в готовой таре?

Расчет объемной производительности экструдера

Объемная производительность экструдера (Q) — это ключевой параметр, определяющий пропускную способность линии. В инженерных расчетах объемная производительность в ньютоновском приближении определяется как алгебраическая сумма потоков:

Q = Qд - Qр - Qут

Где:

• Q_д — Подающий поток (поток за счет вязкого течения, вызванного вращением шнека).
• Q_р — Встречный поток (поток за счет противодавления, создаваемого формующей головкой и фильтрами).
• Q_ут — Поток утечек (поток расплава через радиальный зазор).

1. Расчет подающего потока (Q_д):

Qд = (π · D² · N · H · sin φ · cos φ) / 2

Где:

• D — диаметр шнека (м).
• N — частота вращения шнека (с^-1).
• H — глубина канала шнека в зоне дозирования (м).
• φ — угол подъема витка (tgφ = t / πD).

2. Расчет встречного потока (Q_р):

Qр = (D · H³ · sin² φ · ΔP) / (12 · η · L)

Где:

• η — средняя вязкость расплава (Па·с).
• L — длина зоны дозирования (м).
• ΔP — перепад давления на шнеке (Па).

3. Расчет потока утечек (Q_ут):

Учет утечек является критически важным для точного расчета, особенно при использовании изношенного оборудования или экструзии высокомолекулярных полимеров. Поток утечек через радиальный зазор (δ) между гребнем шнека и цилиндром рассчитывается как течение расплава в узком кольцевом канале:

Qут ≈ (π · D · δ³ · ΔP) / (12 · η · Lд)

Таким образом, фактическая производительность экструдера будет меньше теоретически возможной за счет противодействия давления и утечек, что требует введения корректирующих коэффициентов на этапе проектирования.

Расчет мощности привода экструдера

Расчет мощности привода (N_прив) необходим для выбора электродвигателя и обеспечения стабильной работы. Мощность экструдера состоит из трех основных компонентов: механической мощности, необходимой для преодоления трения; мощности, затрачиваемой на нагрев и плавление материала; и гидравлической мощности, необходимой для продавливания расплава.

Гидравлическая составляющая мощности (N_гидр):

Эта мощность необходима для создания необходимого давления (ΔP) для проталкивания расплава через формующую головку, фильтры и адаптер.

Nгидр = Q · ΔP

Где Q — объемная производительность (м³/с), а ΔP — перепад давления на головке (Па).

Общая мощность привода (N_прив):

Общая мощность, необходимая для вращения шнека, рассчитывается как сумма всех работ, деленная на механический КПД (η_мех):

Nприв = (Nсдвига + Nдавления) / ηмех

Где N_сдвига — мощность, затрачиваемая на сдвиг и плавление полимера, а N_{давления} — мощность, связанная с противодавлением (включая N_гидр). Кроме того, в общую потребляемую мощность необходимо включить мощность нагревательных элементов (ТЭНов), которая может составлять до 30–50% от N_прив, особенно на начальных стадиях запуска. И что это значит? Это подчеркивает, что для эффективного управления энергопотреблением необходимо минимизировать внешнее тепловыделение за счет оптимизации геометрии шнека, чтобы основная энергия на плавление генерировалась внутренним трением расплава.

Детальная Технологическая Схема Производства Полипропиленовой Тары

Процесс экструзионно-раздувного формования (ЭРФ) представляет собой непрерывный цикл, состоящий из четко определенных этапов.

Стадия процесса	Назначение	Ключевые параметры контроля
I. Подготовка сырья	Обеспечение стабильного состава и влажности материала.	Влажность ПП (≤ 0,05-0,1%), точность дозирования.
II. Пластификация и экструзия	Плавление, гомогенизация и выдавливание расплава.	Температурный профиль, давление расплава (ΔP), скорость шнека (N).
III. Формирование парисона	Создание полой трубчатой заготовки.	Температура расплава на выходе (≤ 220 °C), стабильность парисона (отсутствие вытягивания).
IV. Раздув и формование	Перенос парисона, смыкание формы, раздув сжатым воздухом.	Давление и температура сжатого воздуха, время цикла.
V. Охлаждение и постобработка	Фиксация формы, обрезка излишков, контроль.	Температура хладагента, время охлаждения.

Подготовка сырья

Этап подготовки критичен для качества конечного изделия. Полипропилен в чистом виде относится к негигроскопичным полимерам, однако он может впитывать поверхностную влагу в условиях высокой влажности. При переработке даже незначительное содержание влаги может привести к образованию дефектов, таких как пористость, пузыри или «серебристость» на поверхности изделия.

Поэтому, хотя ПП обычно не требует сушки, при хранении в неблагоприятных условиях необходимо проводить сушку. Предельно допустимая остаточная влажность полипропилена перед экструзией не должна превышать 0,1%, а для получения тары высшего качества оптимально поддерживать ее на уровне ≤ 0,05%. Сырье (гранулы ПП, красители, стабилизирующие добавки, дробленка вторичного сырья) подается в весовые или объемные дозаторы, которые обеспечивают точное соблюдение рецептуры.

Пластификация и экструзия парисона

Подготовленное сырье поступает в бункер, а затем в цилиндр одночервячного экструдера. Здесь под действием трения, сдвиговых напряжений и внешнего нагрева полимер плавится (пластифицируется) и гомогенизируется. Расплав, находящийся под высоким давлением (до 30–50 МПа), проталкивается через кольцевую формующую головку (мундштук).

Формующая головка преобразует осевой поток расплава в полый трубчатый поток, формируя вертикально свисающую заготовку — парисон. Решающим фактором здесь является поддержание температуры расплава не выше 220 °C для сохранения вязкости, необходимой для стабильности парисона.

Формование и раздув изделия

Когда парисон достигает заданной длины, он попадает между раскрытыми створками двухполостной пресс-формы. Пресс-форма смыкается, обжимая парисон у дна и горловины. Затем, через специальное дутьевое устройство (штуцер), внутрь парисона подается сжатый воздух (обычно под давлением 0,6–1,0 МПа). Расплавленный полимер раздувается, принимая форму внутренней полости пресс-формы.

Этот этап требует точной синхронизации: время смыкания формы, время подачи воздуха и время цикла раздува критически влияют на толщину стенки и прочность изделия.

Охлаждение и постобработка

После раздува изделие должно быть охлаждено ниже температуры кристаллизации ПП для фиксации его формы. Охлаждение происходит за счет циркуляции хладагента (воды или антифриза) через каналы в стенках пресс-формы.

После достаточного охлаждения (время которого зависит от толщины стенки и эффективности теплоотвода), пресс-форма раскрывается, и готовое изделие извлекается. Постобработка включает: обрезку облоя (излишков материала) с горловины и дна; контроль герметичности и геометрии; и, наконец, упаковку готовой тары. Извлечение изделия из формы после завершения цикла охлаждения является критическим моментом, поскольку преждевременное раскрытие пресс-формы может привести к деформации, в то время как излишнее время охлаждения снижает общую производительность линии.

Материальный Баланс и Эффективность Использования Сырья

Методология составления материального баланса

Материальный баланс (МБ) — это инструмент контроля и планирования, основанный на законе сохранения масс. Он позволяет точно определить потребность в сырье и оценить эффективность его использования. МБ составляется постадийно, начиная от готовой продукции и двигаясь в обратном направлении к исходному сырью.

Общий принцип материального баланса для любой стадии производства:

Мприход = Мрасход + Мпотери + Мотходы

Где:

• М_приход — масса сырья, поступившего на стадию.
• М_расход — масса продукта, перешедшего на следующую стадию (или готовой продукции).
• М_потери — безвозвратные потери (испарение, угар, потери при чистке оборудования).
• М_отходы — возвратные отходы (облой, брак), подлежащие рециклингу.

Расчет норм расхода сырья и расходного коэффициента

Для планирования производства и оценки себестоимости ключевым показателем является норма расхода сырья на единицу готовой продукции (Н_расх).

Нрасх = Gизд · Кр

Где G_изд — масса единицы готового изделия (кг), а К_р — расходный коэффициент.

Расходный коэффициент (К_р) — это показатель, отражающий, сколько сырья требуется для производства единицы готовой продукции с учетом всех технологических потерь и отходов.

Кр = Нрасх / Gизд = 1 + (ΣМпотери + ΣМотходы) / Gизд

Чем ближе К_р к 1,0, тем выше эффективность использования материала. На практике, для ЭРФ полипропилена К_р обычно находится в диапазоне 1,15–1,40, что обусловлено высоким процентом возвратных отходов.

Учет и переработка возвратных отходов

Процесс экструзионно-раздувного формования, в отличие от литья под давлением, генерирует значительное количество облоя — технологического излишка материала, который образуется при смыкании пресс-формы вокруг парисона. Объем этих возвратных отходов может достигать 35% от общей массы переработанного материала.

Поскольку полипропилен хорошо поддается рециклингу, эти отходы (облой и технологический брак) подлежат дроблению и повторному использованию (рециклингу). Пе��еработка отходов позволяет существенно снизить себестоимость продукции и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду. Однако, чтобы сохранить требуемые механические и эстетические свойства готовой тары, доля вторичного сырья (дробленки) в смеси с первичным материалом, как правило, не должна превышать 30–40% от общего объема материала. Превышение этой доли может привести к снижению ударной вязкости, ухудшению цвета и появлению дефектов поверхности.

Контрольно-Измерительные Приборы и Автоматизация Технологического Процесса

Контроль температурных параметров

Температура является ключевым параметром, определяющим вязкость расплава и его способность к формованию. Неточный контроль температуры может привести к термодеструкции ПП или, наоборот, к недостаточной пластификации.

Для контроля температуры применяются:

1. Термопары: Наиболее распространенные типы — ТХА (хромель-алюмель) и ТХК (хромель-копель). Они устанавливаются в зонах цилиндра экструдера, адаптера и формующей головки. Критическое значение имеет измерение температуры самого расплава с помощью погружных термопар, установленных непосредственно перед фильерой.
2. Инфракрасные термометры: Используются для бесконтактного контроля температуры поверхности парисона. Это позволяет быстро реагировать на колебания температуры, которые могут повлиять на стабильность заготовки.

Контроль давления расплава

Давление расплава (P) в зоне дозирования и непосредственно перед формующей головкой является важнейшим показателем стабильности процесса и гомогенизации. Изменение давления может указывать на засорение фильтров, изменение вязкости расплава (например, из-за колебаний температуры или молекулярной массы) или сбои в работе шнека.

Контроль давления осуществляется с помощью тензометрических датчиков давления (обычно оснащенных мембраной), которые преобразуют механическое напряжение в электрический сигнал. Эти датчики критически важны для защиты оборудования от избыточного давления и для контроля качества экструзии.

Косвенная оценка и контроль вязкости расплава

Вязкость расплава (η) — параметр, который напрямую не измеряется, но является определяющим для ЭРФ. Поскольку вязкость ПП сильно зависит от температуры и скорости сдвига, ее оперативный контроль необходим.

Инженеры часто используют метод косвенной оценки вязкости на основе гидравлического сопротивления формующей головки. Вязкость расплава в экструзионной головке может быть приближенно оценена, используя модель капиллярного течения (аналог уравнения Гагена-Пуазейля для неньютоновских жидкостей):

η ≈ (C · ΔP · R⁴) / (Q · Lк)

Где:

• C — константа, учитывающая неньютоновское поведение полимера.
• ΔP — перепад давления на головке (Па).
• R — эффективный радиус канала головки (м).
• Q — объемная производительность (м³/с).
• L_к — длина канала головки (м).

Эта формула позволяет системе автоматизации оперативно корректировать температуру или скорость шнека, если расчетное значение вязкости выходит за пределы технологического допуска.

Системы автоматизации и управления

Современное производство ПП тары использует локальные автоматизированные системы регулирования (АСР), построенные на базе промышленных контроллеров (PLC).

Основные функции АСР:

1. Поддержание температурного профиля: Точное регулирование нагревательных элементов в зонах цилиндра и головки для обеспечения оптимальной температуры расплава (≤ 220 °C).
2. Синхронизация цикла: Координация скорости вращения шнека (N), частоты цикла пресс-формы и времени раздува сжатым воздухом.
3. Контроль толщины парисона: В высокотехнологичных линиях используется система автоматического регулирования толщины стенки парисона. Это достигается за счет динамического изменения зазора в кольцевой формующей головке (обычно с помощью гидравлических приводов), что позволяет компенсировать гравитационное вытягивание парисона и обеспечить равномерность толщины стенки по всей длине заготовки, тем самым гарантируя прочность готового изделия.

Заключение

В рамках данной работы была успешно разработана исчерпывающая технологическая схема производства полипропиленовой тары методом экструзионно-раздувного формования, подкрепленная строгим инженерным и методологическим обоснованием.

Ключевые выводы работы:

1. Выбор сырья: Обоснована необходимость использования высокомолекулярного полипропилена с низким показателем текучести расплава (ПТР 0,5–3,0 г/10 мин) и широким ММР (M_w / M_n от 3,5 до 5,0+) для обеспечения стабильности парисона. Установлен оптимальный температурный режим экструзии с температурой расплава на выходе ниже 220 °C.
2. Проектные расчеты: Представлены детальные формулы для расчета объемной производительности одночервячного экструдера, включая подающий поток, встречный поток и, что важно, поток утечек через радиальный зазор. Выполнен расчет гидравлической мощности привода.
3. Технологическая схема: Детально описана последовательность операций ЭРФ, начиная от контроля влажности ПП (оптимально ≤ 0,05%) до постобработки.
4. Эффективность производства: Разработана методология составления материального баланса и расчета расходного коэффициента. Подтверждена необходимость рециклинга возвратных отходов (облоя), объем которых может достигать 35% от общей массы, с учетом ограничения доли вторичного сырья до 30–40% в смеси с первичным материалом.
5. Автоматизация: Обоснован выбор критически важных КИП (термопары ТХА, ТХК, тензометрические датчики давления) и описан метод косвенного контроля вязкости расплава по перепаду давления, что является фундаментом для поддержания стабильности и качества готовой продукции.

Полученные результаты и расчеты представляют собой полноценную методологическую базу для дальнейшего практического проектирования производственного участка по переработке полимеров и подтверждают достижение всех целей и задач, поставленных перед курсовой работой.

Список использованной литературы

1. Антипина О.М. Сборник задач и проблемных ситуаций по технологии переработки пластмасс: Учеб. Пособие для техникумов. Л.: Химия, 1990. 272 с.
2. Барг Э.И. Технология синтетических пластических масс. Ленинград: Госхимиздат, 1984. 656 с.
3. Власов С.В., Кандырин Л.Б., Кулезнев В.Н. и др. Основы технологии переработки пластмасс. 2-е изд., испр. и доп. Учебник для ВУЗов. М.: Химия, 2004. 600 с.
4. ГОСТ 11645—2021. ПЛАСТМАССЫ. Методы определения показателя текучести расплава термопластов. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4294833/4294833502.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
5. Калинчев Э.Л., Калинчев Е.И., Саковцева М.Б. Оборудование для литья пластмасс под давлением. Расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.
6. Катаев В.М., Попов В.А., Сажин Б.И. (ред.) Справочник по пластическим массам. Т.1. Изд. 2-е, пер. и доп. М.: Химия, 1975. 448 с.
7. Ким В.С. Теория и практика экструзии полимеров. М.: Химия, 2005. 568 с.
8. Контрольно-измерительные приборы и автоматика: Учебник для средних ПТУ. URL: https://tiiame.uz/storage/books/September2020/u32qfKx02T2B3Gq487y2.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
9. Крыжановский В.К. Производство изделий из полимерных материалов. СПб.: Профессия, 2008. 460 с.
10. Кудрявцева З.А., Ермолаева Е.В. Проектирование производств по переработке пластмасс методом экструзии. Владимир: ВлГУ, 2003. 96 с.
11. Материальный баланс полимерного производства. URL: https://plasticmachinery.ru/informacionnye-materialy/stati/materialnyj-balans-polimernogo-proizvodstva/ (дата обращения: 30.10.2025).
12. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАС. URL: https://publish.sutd.ru/tp_get_file.php?id=202016 (дата обращения: 30.10.2025).
13. Проектирование производств по переработке пластмасс методом экструзии. URL: https://www.vlsu.ru/dspace/handle/123456789/10834 (дата обращения: 30.10.2025).
14. РАСЧЁТЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ БАЛАНСОВ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОН. URL: https://usfeu.ru/files/izdat/elib/metod/mater_balans.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
15. Расчет расхода полимера при производстве изделий каландрованием, Материальный баланс производства — Организация и проектирование предприятий переработки пластмасс. URL: https://studref.com/393166/organizatsiya_i_proektirovanie_predpriyatiy_pererabotki_plastmass/materialnyy_balans (дата обращения: 30.10.2025).
16. Росато Д., Росато А., МиМатша Д. Раздувное формование: технология, оборудование, рынок, экономика. /Под ред. О.Ю. Сабсая. М.: Профессия, 2008. 650 с.
17. Смесители гравиметрические TSM [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.eximpack.com/oborudovanie/gravimetricheskie_dozatory/gravimetricheskie_dozatory_tsm/ (дата обращения: 30.10.2025).
18. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. 4-е изд., перераб. и доп. Учеб. пособие для хим. фак. ун-тов. М. : Научный мир, 2007. 573 с.
19. Ханлон Дж., Келси Р., Форcинио Х. Упаковка и тара: проектирование, технологии, применение. Пер. с англ. М.: Профессия, 2006. 674 с.
20. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учебн. 3 изд., перераб. и дополн. М.: Высш. шк. 1981. 656 с.
21. Экструдеры для производства изделий из полимерных материалов. URL: http://www.sinda.ru/extruder_EPS_list.html (дата обращения: 30.10.2025).