Технология изготовления пластиковых емкостей

Технологии производства пластиковых емкостей

Пластиковые емкости формуют из расплава полимера так, чтобы корпус, дно и горловина составляли одно целое. Благодаря бесшовной конструкции исключается разгерметизация по продольным стыкам, которая возможна у сварных изделий из листового материала. Технология изготовления определяет максимальный объем корпуса, распределение толщины стенки и тип используемого сырья.

Выбор способа производства зависит от назначения изделия и объема партии. Для крупногабаритных баков вместимостью до нескольких десятков кубических метров применяют ротационное формование; для канистр и бачков среднего размера — экструзионно-выдувное формование; для малообъемной тары и комплектующих деталей — литье под давлением. Подобрать производственный метод под конкретное изделие поможет специалист завода — переходите по ссылке «Узнать подробнее…».

Ротационное формование

Ротационное формование, которое также называют ротомолдингом, начинается с загрузки отвешенной дозы полимерного порошка в полость металлической формы. Форму закрывают, помещают в печь с температурой воздуха 250–350 °C и вращают вокруг двух перпендикулярных осей с различной частотой, обычно в диапазоне 4–20 об/мин. Частицы полиэтилена, соприкасаясь с нагретой стенкой, оплывают и постепенно образуют сплошной слой.

Итоговая толщина стенки определяется не временем нагрева, а массой загруженного порошка. При правильно подобранном режиме слой получается равномерным на цилиндрической части и в зоне днища; на острых кромках и выступающих элементах толщина может отличаться, поэтому конструкция формы предусматривает корректировку загрузки в таких местах. Полный цикл, включающий нагрев, вращение и охлаждение, длится от 30 до 90 минут в зависимости от толщины изделия.

Температура нагрева влияет на кристалличность полимера. Медленное охлаждение способствует росту кристаллической фазы, увеличивает жесткость материала, но усиливает склонность к короблению. Быстрое охлаждение формирует более аморфную структуру со сниженной жесткостью и повышенной ударной вязкостью. Режим охлаждения выбирают исходя из марки полимера и условий эксплуатации емкости.

Экструзионно-выдувное и литьевое производство

Экструзионно-выдувное формование предназначено для производства полых изделий небольших и средних размеров. Через кольцевую головку экструдера выдавливают трубчатую заготовку — параизон. Ее захватывают две половины формы; внутрь заготовки подают сжатый воздух, который прижимает размягченный полимер к стенкам формы. После охлаждения форму раскрывают и удаляют изделие, облой в месте смыкания обрезается.

Цикл выдувного формования занимает от 20 секунд до нескольких минут, поэтому метод применяют для серийного выпуска тары объемом от одного до нескольких сотен литров. Крупные емкости вместимостью 1000–3000 л также получают выдуванием, однако для резервуаров свыше 5 м³ производительность метода снижается, а габариты оборудования становятся чрезмерными.

Литье под давлением предусматривает впрыск расплава в сомкнутую пресс-форму. Метод дает точные размеры и гладкую поверхность, но размер отливки ограничен усилием смыкания машины и обычно не превышает нескольких сотен литров. Этим способом изготавливают крышки, фланцы, штуцеры и небольшие корпуса, где требуется высокая повторяемость формы.

Полимерные материалы и требования к ним

Для бесшовных емкостей основным материалом служит полиэтилен низкого давления высокой плотности, обозначаемый как ПЭНД или HDPE. Его плотность составляет 0,94–0,96 г/см³. Высокая молекулярная масса придает материалу стойкость к растрескиванию под напряжением, которое возникает при длительном контакте с поверхностно-активными жидкостями и при переменных нагрузках на корпус.

Пищевые марки полиэтилена проходят санитарно-гигиеническую оценку и допускаются для контакта с питьевой водой. Такие материалы не содержат компонентов, мигрирующих в воду в концентрациях, превышающих нормативы. Определить пригодность полимера для питьевых целей по внешнему виду нельзя, необходимо наличие сопроводительной документации от производителя сырья.

Особенности полиэтилена и полипропилена

Марка полимера определяет химическую стойкость материала. Полиэтилен устойчив к водным растворам солей, щелочей и многих кислот при температуре до 60 °C. Концентрированные окислительные кислоты и ароматические растворители вызывают набухание и постепенное разрушение структуры. Полипропилен имеет более высокую теплостойкость и жесткость, но его морозостойкость ограничена: при температурах ниже −15 °C материал становится хрупким.

Полиэтилен сохраняет работоспособность при отрицательных температурах до −60 °C для большинства марок ПЭНД и до −70 °C для специальных композиций. Это позволяет эксплуатировать емкости в неотапливаемых помещениях и на открытых площадках зимой. Полипропиленовые резервуары для таких условий не применяют.

• стойкость к растрескиванию под напряжением у марок с высокой молекулярной массой;
• разрешение на контакт с пищевыми средами для питьевого водоснабжения;
• морозостойкость, достаточная для климатических условий размещения;
• светостойкость при установке на открытом воздухе.

Стабилизаторы и добавки для длительной службы

Полимеры под действием ультрафиолетового излучения постепенно деструктируют: молекулярные цепи разрываются, поверхность теряет эластичность, появляются микротрещины. Для защиты от этого в состав добавляют УФ-стабилизаторы. Наиболее распространены светостабилизаторы класса затрудненных аминов, HALS, которые вводят в концентрации 0,2–0,5 % массы полимера.

Для емкостей, размещаемых вне помещений, используют композиции с техническим углеродом. Сажа в количестве 2–3 % обеспечивает длительную защиту от солнечного излучения и одновременно окрашивает изделие в черный цвет. В пищевых марках набор добавок ограничен разрешенными гигиеническими регламентами, поэтому для питьевых емкостей применяют белые, голубые или неокрашенные составы с аттестованными стабилизаторами.

Конструкция корпуса и элементы усиления

Стенки заполненного резервуара испытывают гидростатическое давление, которое возрастает с глубиной по линейному закону. Наибольшие растягивающие напряжения возникают в нижней части цилиндрической стенки у днища. Поэтому распределение толщины по высоте и наличие дополнительных элементов усиления рассматривают на стадии проектирования.

Плоское дно при большой высоте столба жидкости прогибается и создает концентрацию напряжений в угловых переходах к стенке. Конструктивные решения включают коническое дно, сферическое днище или плоское дно с утолщением по периферии. Геометрия днища распределяет нагрузки в зоне дна на большую площадь опорной поверхности.

Перегородки и ребра жесткости

На цилиндрической части корпуса часто отформовывают ребра жесткости. Они уменьшают деформацию корпуса при частичном заполнении, а также препятствуют потере устойчивости стенки, когда внутренний объем опорожняется насосом и внутри возникает разрежение. Форма профиля ребра бывает трапециевидной, дуговой или прямоугольной; шаг расположения задают исходя из диаметра резервуара и толщины стенки.

В горизонтальных емкостях перегородки выполняют функцию разделителей потока жидкости. При транспортировке наполненной емкости перемещение массы жидкости создает динамические удары о торцевые стенки. Перегородки с калиброванными отверстиями снижают скорость перемещения жидкости и уменьшают амплитуду колебаний корпуса.

Врезные узлы, фланцы и крышки

Врезные элементы монтируют в стенку емкости до окончательной сборки. Патрубки, фланцы и штуцеры изготавливают из того же полимера, что и корпус, чтобы коэффициенты теплового расширения совпадали. Соединение выполняют сваркой нагретым инструментом, присадочным прутком или экструзионным способом. Место врезки усиливают дополнительным слоем материала с наружной стороны.

Для резервуаров большого объема применяют экструзионную сварку листовых элементов: пруток расплавляется в специальном сварочном экструдере и заполняет разделку кромок. Такой способ используют при изготовлении сварных баков вместимостью от 5 м³, когда бесшовное формование нецелесообразно из-за габаритов оборудования. Крышки люков снабжают уплотнительными кольцами, а фланцевые соединения рассчитывают на усилие затяжки крепежа без деформации полимерной кромки.

Прочность полимерного сварного шва при правильном режиме составляет 85–95 % прочности основного материала, поэтому шов не становится слабым звеном конструкции при условии качественной подготовки кромок и соблюдения температуры сварки.

Контроль качества и приемочные испытания

Готовую емкость проверяют по нескольким направлениям: геометрические размеры, толщина стенки, герметичность, состояние внутренней поверхности. Контроль выполняют как на образцах, вырезанных из тестовых изделий, так и на каждой единице продукции, если это предусмотрено техническими условиями.

Проверка герметичности и толщины стенки

Контроль герметичности обнаруживает скрытые дефекты сварных швов и микротрещины, которые не видны при внешнем осмотре. Емкость закрывают заглушками, подают внутрь сжатый воздух с избыточным давлением до 0,05 МПа и наносят на поверхность мыльный раствор. В местах пропуска воздуха образуются пузыри, по которым локализуют дефект. Альтернативный метод — заполнение водой с выдержкой в течение 24 часов и осмотром наружных стенок.

Толщину стенки измеряют ультразвуковым толщиномером в контрольных точках на днище, на цилиндрической части и у горловины. Минимальная измеренная толщина не должна быть ниже установленного проектного значения. Отклонения локальных утонений в зонах переходов не должны превышать 15 % от средней толщины стенки изделия.

Соответствие нормативным документам

Каждая партия продукции сопровождается паспортом, в котором указывают марку полимера, результаты испытаний, дату изготовления и условия хранения. Емкости, предназначенные для питьевой воды, должны соответствовать гигиеническим требованиям к материалам, контактирующим с пищевыми средами. Соответствие подтверждается протоколами санитарно-химических испытаний, которые проводит аккредитованная лаборатория.

Эксплуатационные ограничения и уход за емкостью

Полимерная емкость рассчитана на хранение жидкости при атмосферном давлении внутри корпуса. Наличие плотно закрытой крышки без вентиляционного отверстия создает опасность деформации стенок при изменении температуры содержимого: воздух расширяется или сжимается, создавая избыточное давление или разрежение. В крышке крупного резервуара предусматривают дыхательный клапан либо дренажный патрубок.

Температурные пределы и совместимость со средами

Длительная рабочая температура для полиэтиленовых емкостей ограничена 60 °C, кратковременный нагрев до 80 °C допустим при сливе горячей жидкости, если стенка не испытывает механического давления извне. Полипропиленовые корпуса выдерживают длительный нагрев до 90 °C, но требуют аккуратности при отрицательных температурах из-за хрупкости.

Перед заполнением емкости конкретной жидкостью проверяют химическую совместимость среды с маркой полимера. Этиловый спирт и слабые растворы кислот не разрушают полиэтилен, однако концентрированная азотная и серная кислоты вызывают окисление поверхности. Топлива и масла вызывают набухание полиэтилена: стенка увеличивается в объеме, снижается механическая прочность. Для таких сред применяют специальные марки полимера с повышенной стойкостью к углеводородам или фторированную внутреннюю поверхность.

Методы ремонта пластиковых поверхностей

При повреждении стенки емкость возможно отремонтировать сваркой, если дефект имеет ограниченную площадь. Последовательность работ следующая:

1. удаление поврежденного участка и снятие фаски с кромок под углом около 45 градусов;
2. обезжиривание поверхности и просушивание зоны ремонта;
3. прогрев кромок горячим воздухом до температуры плавления полимера;
4. заполнение разделки присадочным прутком из идентичного материала;
5. проверка герметичности отремонтированного участка воздушным методом.

Полиэтилен имеет неполярную поверхность, поэтому склеивание обычными клеями малоэффективно без предварительной обработки пламенем или коронным разрядом. Наиболее надежным считается термическое соединение, при котором присадочный материал вступает в диффузию с основным слоем на молекулярном уровне. После ремонта емкость испытывают наливом воды до рабочего уровня с выдержкой не менее 24 часов.

Видео