プラスチックの加工と製造を理解する
プラスチックの加工と製造には、さまざまな段階があります。今日、プラスチックは私たちの日常生活に欠かすことのできないものとなり、プラスチックの需要は非常に高くなりました。プラスチック産業は、プラスチック材料をリサイクルして別のものに変換することを好みます。たとえば、プラスチック ペレットのフィルムへの変換や、フィルムの食品容器への変換などです。リサイクル可能なプラスチックは、プラスチックの生産を無傷で安価に保つための最も簡単な方法です。これらのプラスチックは熱可塑性プラスチックとして知られていますが、熱硬化性プラスチックは再加熱または再成形できません。
熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂について読んでください!
今日は、プラスチックのさまざまな製造プロセスと、処理中に実行されるさまざまな方法を知ることができます。また、プラスチックのリサイクルと資源回収についても知ることができます。プラスチック加工は、熱可塑性および熱硬化性タイプのプラスチック用です。
配合
ほとんどのプラスチック製造手順の最初のステップである配合は、特定のレシピに従ってさまざまな原材料を混合することです。プラスチック樹脂は、多くの場合、シリンダー ペレット (直径と長さが数ミリメートル) またはフレークと粉末として製造業者に供給されます。その他の形態には、粘性液体、溶液、および懸濁液が含まれます。
液体は攪拌タンク内で他の成分と混合できますが、特定の操作には特別な機械が必要です。ドライ ブレンディングは、顔料、安定剤、強化剤の混合物など、乾燥した成分をさらに使用するために混合するプロセスです。
多孔質粉末であるポリ塩化ビニル (PVC) は、リボン ブレンダーと呼ばれる撹拌トラフまたはタンブリング コンテナー内で液体可塑剤と混合できます。このプロセスは、液体が樹脂の細孔に浸透し、最終的な混合物に 50% もの可塑剤が含まれるため、混合プロセスでもあります。乾いたように見えるのは、まだ自由に流動する粉末です。
形成中
成形とは、プラスチックにさまざまな形状を与えるプロセスであり、これらの形状には通常、溶融、成形、および固化の手順が含まれます。良い例は、融解温度 Tm 以上に加熱できるポリエチレン ペレットです。 加圧下で金型に入れられ、融点未満の温度まで冷却されます Tm 最終製品の寸法安定性を高めるため。熱可塑性樹脂は、一般に Tg 未満に冷却すると固化しますが、 または Tm .一方、熱硬化性樹脂は、ネットワークの形成に必要な化学反応を達成するために、加熱によって固化します。
押し出し
押出は、溶融ポリマーが特定の断面 (ダイ) を持つオリフィスに押し出され、オリフィスの断面と同様の一定の断面を持つ連続形状を形成するプロセスです。熱硬化性樹脂が押し出され、押出物を加熱することによって架橋されるよりも、熱可塑性樹脂が押し出され、冷却によって固化されることがより一般的です。
押出成形で製造できる製品には、フィルム、シート、チューブ、パイプ、断熱材、住宅用羽目板などがあります。いずれの場合も、それらのプロファイルは金型の形状によって決まり、凝固は冷却によって行われます。
熱可塑性ポリマーのスクリュー押出機の図
下の図は、熱可塑性ポリマーのスクリュー押出機の断面を示しています。これは、熱可塑性ポリマーのスクリュー押出機の縦断面を示しています。プラスチックペレットはホッパーから押出機のバレルに供給され、そこでペレットは回転スクリューによって生成される機械エネルギーによって徐々に溶融します。ヒーターはバレルに沿って配置されています。溶融ポリマーは金型に押し込まれ、最終製品の形になります。
ブロー押出機の図
スクリュー押出機とは異なり、ほとんどのプラスチック食料品バッグやその他の同様のアイテムはブロー押出機で作られています.これは、チューブの連続押し出しです。その際、チューブを膨張させた後、大量の気泡の周りを流して冷却します。気泡の反対側のフィルムをつぶすことで、空気が気泡から逃げるのを防ぎます。
いくつかの用途では、積層構造は、同じダイを通して、または複数のダイを用いて、同時に複数の材料を押し出すことによって作製することができる。このプロセスでは、外側の層が強度と耐湿性に寄与する可能性があるため、多層フィルムが役立ちます。内層は、食品包装の重要な要素である酸素透過性を制御する可能性があります。
ブロー押出プロセスは層状フィルムを形成するか、または 3 台の機械からの押出物をダイ ブロックで一緒にプレスして 3 層のフラット シートを形成し、その後チルド ロールと接触させて冷却します。以下の図を参照してください:
熱可塑性ポリマーのブロー押出の上記の図では、溶融押出物はチューブ マンドレルを強制的に通過させられます。空気の流れによって風船の形に膨らみ、ローラーで引き上げられ、折りたたまれたシートに挟まれて、多数の製品にカットされます。
押出成形でダイを通過する流れにより、ポリマー分子がある程度配向することがよくあります。配向は、延伸によって増加させることができます。つまり、部分凝固の前または後に、ポリマーの流れの方向または他の方向に押出物を引っ張ることによって、配向を高めることができます。
ブロー押出プロセスでは、ポリマー分子はバッグの周囲とその長さに沿って配向されます。これにより、多くの場合、配向されていない材料よりも優れた機械的特性を持つ二軸配向構造が得られます。
圧縮成形
圧縮成形では、ペレットとしても知られる成形粉末を加熱すると同時に、特定の形状に圧縮します。熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の両方で実行できます。熱硬化性樹脂の場合、ネットワークがすぐに形成され始めるため、溶融はできるだけ速く行う必要があります。凝固が進行して流れが止まる前に、溶融物が金型を完全に満たすことも重要です。
高度に架橋された成形品は、金型を冷却することなく取り外すことができます。金型に次の充填物を追加すると、正確に必要な量のコールド モールディング パウダーを簡単に圧縮して、予備成形された「ビスケット」にすることができます。このビスケットは、金型キャビティに挿入する前に、マイクロ波エネルギーによって反応温度付近まで予熱することもできます。
電子レンジのようなヒーターは、1 メガヘルツの周波数で最大 10 キロボルトを加えることができます。高温高圧の業務用成形機では、成形1回あたりのサイクルタイムを短縮するために採用されています。成形品は、金型が開くと自動的に作動する突き出たピンの作用によってキャビティから押し出されます。ほとんどの場合、樹脂が液化する前に金型に押し込むと、他の部品に過度のストレスがかかる可能性があります。
圧縮成形の 1 つの形式で樹脂を導入する前に、補強材の層を配置する必要があります。温度と圧力は、塊を所望の形状に成形するだけでなく、補強材と樹脂を組み合わせて密接に結合した形状にもします。平板を金型として使用すると、異なる材料のシートを一緒に成形して積層シートを形成できます。
合板は、熱硬化性接着ラミネートの良い例です。このタイプでは、木材の層が互いに接着されており、尿素ホルムアルデヒドなどの熱硬化性樹脂が含浸されています。これが加熱のネットワークを形成します。
射出成形
通常、圧縮成形を使用して熱可塑性樹脂を成形するのは時間がかかり、非効率的であるためです。また、熱可塑性パーツは金型から取り外す前に冷却されるため、金型を構成する冷却された金属塊が必要になります。その後、金属は部品ごとに再加熱されます。
したがって、射出成形はこの非効率性を克服するためのプロセスです。樹脂の液化とその流れの調整が装置の熱いままの部分で行われるという点で、トランスファー成形のように見えます。成形と冷却は、冷たいままの部分で行われます。
レシプロスクリュー射出成形機では、材料は重力によってホッパーから回転スクリューに流れます。このスクリューは、樹脂を溶融状態に変換する補助ヒーターと共に、機械的エネルギーを供給します。この間、スクリューはホッパー端に向かって後退します。スクリューが前進し、十分な量の樹脂が溶けるとラムとして機能します。これにより、樹脂がゲートを通って冷却金型に溶け込みます。プラスチックが金型内で固化したら、金型を外して開きます。自動エジェクターピンにより金型から製品を押し出します。その後、金型を閉じて型締めし、スクリューを回転させて再び引っ込めて、同じプロセスを実行できるようにします。
上記の説明は、プラスチック加工における射出成形の作業操作です。下の図を見てください!
上の図では、熱可塑性ポリマーの射出成形の作業操作が説明されています。
反応射出成形
反応射出成形は、成形またはネットワーク形成熱硬化性ポリウレタンの一種です。バンパーやインサイドパネルなどの自動車部品に施されることが多い。成形プロセスはRIMと略されます。ポリウレタンの 2 つの液体前駆体は、多官能性イソシアネートとプレポリマーです。ヒドロキシル、アミン、アミドなどの多数の反応性末端基を持つ低分子量ポリエーテルまたはポリエステル。
スズ石鹸などの触媒の存在により、2 つの反応物がウレタン基によって結合されたネットワークを急速に形成します。この反応は非常に急速に進行するため、2 つの前駆体を特殊な混合ヘッドで混合する必要があり、できるだけ早く金型に導入されます。
ただし、製品が金型に入ると、ほとんどの場合、射出プロセスで少量のガスが発生する場合、製品を充填して金型に適合させるために必要な圧力はほとんどありません。ポリマーの体積が拡大し、流れに対する抵抗が減少します。
成形圧力が低いため、比較的軽量で安価な金型を使用できます。バンパーアッセンブリーや冷蔵庫のドアなどの大型部品の生産でも。
ブロー成形
ブロー成形は、開発の一部を必要とする熱可塑性容器に使用されます。この技術では、熱可塑性の中空管であるパリソンが射出成形または押出成形によって形成されます。加熱された状態では、チューブの一端が密閉され、風船のように膨らみます。次に、表面が冷たい割型で膨張が行われます。熱可塑性物質が表面に出くわすと、冷却されて寸法が安定します。
パリソン自体は、金型内で拡張できるように、長さに沿ってさまざまな壁の厚さで形成されるため、プログラムすることができます。これにより、コーナーやその他の重要な場所で最終的な壁の厚さを制御できます。延伸ブロー成形と呼ばれる直径と長さの両方のプロセスで、ポリマーは二軸配向され、強度が向上します。ポリエチレンテレフタレート (PET) の場合、結晶性が向上します。
プラスチック容器のブロー成形
上図はプラスチック容器のブロー成形の説明図です。上から反時計回りに、溶融ポリマーが中空のチューブ状のパリソンに押し出されます。パリソンの周りで分割金型を閉じます。パリソンは、空気の流れによって金型の側面に押し付けられて膨張します。プラスチックが固まるとすぐに金型が開き、成形されたボトルがリリースされます。画像をよく見て知識を得てください。
従来、ブロー成形は、家庭用消費財用のポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、PVC、および PET のボトルを製造するために使用されています。自動車の燃料タンクにも成形法が使われています。高密度ポリエチレン タンクが必要な状況では、膨潤またはガソリンによる浸透に対する耐性を向上させるために、ブロー成形品を三酸化硫黄でさらに処理することができます。
キャスティングとディッピング
すべての成形プロセスが高圧を必要としないため。成形する材料が安定した液体を持っている場合、型に液体を流し込む（キャストする）だけで十分な場合があります。これは、金型が巨大である必要がなく、熱可塑性プラスチックの周期的な加熱と冷却が完全に行われるためです.
キャスト熱可塑性樹脂の良い例は、フタル酸ジオクチル (DOP) などの可塑剤に細かく分割された低多孔性 PVC 粒子の懸濁液です。懸濁液は自由に流動する液体 (プラスチゾル) を形成し、数か月間安定します。しかし、懸濁液 (つまり、PVC 60 部と可塑剤 40 部) を約 180 0 に加熱すると、 C (356 0 F) 5 分間。これにより、PVC と可塑剤が均一なゲルを形成し、室温に冷却しても成分に分離しません。
熱硬化性材料もキャストできます。たとえば、ポリマーと多官能性モノマーと開始剤の混合物を加熱した型に流し込むことができます。物品は、重合の完了後に取り出すことができる。さらに、透明なレンズは、ジアリルグリコールカーボネートモノマーとフリーラジカル開始剤を使用して、この方法で形成できます。
中空パーツを作りたい場合は回転成形が最適です。これは、割り型にプラスチゾルまたは細かく分割されたポリマー粉末を部分的に充填することで達成されます。加熱中の金型の回転により、液体が変換されるか、粉末が溶融して金型の内面に連続膜が形成されます。金型を冷却して開くと、中空部分を取り外すことができます。ボール、人形などのおもちゃは、この成形で製造できる物品です。
熱成形および冷間成形
熱可塑性樹脂のシートは、その Tg 以上に加熱できます または Tm 分子量が伸びをサポートするのに十分に高い限り、それは自由で柔軟な膜を形成することができます.この加熱状態では、真空を使用してシートを金型の冷たい表面に接触させ、そこで Tg 未満に冷却します。 またはT m。 その後、金型の形状で寸法的に安定します。この成形プロセスは、ポリスチレンまたは PET の形で冷たい飲み物用のカップを製造するためによく使用されます。
熱可塑性樹脂は、加熱せずに新しい形状に成形できます。これは、十分な圧力をかけることによって達成できます。したがって、それは冷間成形として知られています。この技術は、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体のシートからマーガリン カップやその他の冷蔵食品容器を製造するために使用されます。
泡立つ
プラスチックの加工および製造における発泡は、発泡プラスチックとしても知られています。特定のアプリケーションに適した固有の機能があります。例えば、フォームの熱伝導率は、固体ポリマーの熱伝導率よりも低くなります。さらに、発泡ポリマーは、材料の任意の重量に対して、固体ポリマーよりも剛性があります。最後に、発泡体は多くのエネルギーを吸収しながら圧縮応力によって崩壊するため、保護包装に有利です。これらの特性は、ポリマーの選択、およびフォームの形成または製造の方法によって、さまざまな用途に適合するために広く必要とされています。住宅用断熱材 (ポリスチレン、ポリウレタン、フェノール、ホルムアルデヒド) は、発泡プラスチックの最大の市場です。また、パッケージには、さまざまな使い捨ての食品や飲料の容器が含まれています。下の図は、ポリスチレンのパッケージを示しています。
ポリスチレン
ポリスチレン包装。
発泡熱可塑性樹脂
イソペンタンは、室温で適度な圧力でポリスチレンペレットに浸すことができます。これらのペレットを加熱すると、イソペンタンが蒸発すると同時に融合することができます。これにより、ポリスチレンが発泡し、アセンブリが同時に冷却されます。
ペレットは通常、カップや何らかの形の硬質包装を形成する際に型に入れる前に、ある程度事前に発泡させます。イソペンタン含浸ペレットは、加圧下で加熱して押し出すこともでき、発泡ポリスチレンの連続シートが得られます。これは、まだ温かいうちに、パッケージ、皿、または卵パックに成形できます.
また、ポリスチレンやポリプロピレンなどの溶融熱可塑性樹脂に窒素やその他のガスを注入して、構造用フォームを製造することもできます。これは、押出機で加圧下で行われます。この方法で製造されたフォームは、上記のフォームよりも密度が高くなりますが、強度と剛性に優れているため、家具やその他の建築用途に適しています。
さまざまな熱可塑性樹脂のフォームを作成する別の方法は、加熱すると分解してガスを発生する材料を使用することです。より効果的な発泡剤を作るには、プラスチックの成形温度付近で材料が分解する必要があります。また、狭い温度範囲で分解し、大量のガスを発生させ、最終的に安全に使用できるようにする必要があります。よく使用される一般的な市販の薬剤は、アゾジカルボンアミドです。通常、分解温度を調整し、樹脂中の薬剤の分散を助けるために、いくつかの他の成分と配合されます.
1 モル (116 グラム) のアゾジカルボンアミドは、200 0 で約 39,000 立方 cm の窒素とその他のガスを生成します。 C. したがって、100 グラムのポリエチレンに 1 グラムを加えると、体積が 800 立方 cm を超えるフォームができます。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、および可塑化 PVC は、発泡剤で発泡できるポリマーです。
発泡熱硬化性樹脂
上記の反応射出成形で説明したように、イソシアネートとヒドロキシル含有プレポリマーが急速に反応してポリウレタンが生成されます。これらの材料は、揮発性液体を組み込むことによって発泡することもできます。これは、熱の反応下で蒸発することができ、反応性混合物を高度に発泡させます。選択したコンポーネントによって、ネットワーク、特にプレポリマーの剛性が決まります。
ヒドロキシル末端ポリエーテルは、家具のクッションに使用される軟質フォームの製造に使用されます。一方、ヒドロキシル末端ポリエステルは、家電製品のカスタムパッケージに使用されるような硬質フォームの製造に広く使用されています。ポリウレタンの金属表面への優れた接着性のため。これは、ラダーやエレベーターなどの航空機の特定の剛性部品の充填や製造など、いくつかの新しい用途で使用されています。
発泡する可能性のある別の硬質熱硬化性樹脂は、フェノールホルムアルデヒド樹脂をベースにしています。ネットワーク形成の最終段階は、揮発性液体が存在するため、酸触媒の添加によってもたらされます。
プラスチック加工の詳細については、以下のビデオをご覧ください:
仕上げ
参加
プラスチックは、金属と同じ方法で溶接によって結合されることがよくあります。表面同士を接触させて接合し、伝導加熱または誘電加熱により加熱します。良い例は、PVC とポリエチレンのタンクと配管です。ポリエチレンやポリプロピレンなどのブロー押出しポリオレフィンのチューブから作られたバッグのヒート シールには、多くの場合、ホット シール バーとの接触が必要です。
高周波、高電圧の電界にさらされると材料全体に熱が発生する可能性がある、十分に高い誘電損失を持つ PVC。
機械加工
硬質部品の熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂は、穴あけ、鋸引き、研磨、旋盤などの従来のプロセスで機械加工できます。多くの場合、ガラス強化熱硬化性樹脂はギア、プーリー、その他の形状に機械加工されます。特に部品数が多い場合は、金型金属にはうまく機能しません。熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂のシートは、さまざまな形に打ち抜く (ダイカット) ことができます。良い例は、真空成形、つまり鋭い金型を使用してマザーシートから切り出されたカップです。ポリスチレンなどの熱可塑性樹脂、余ったスクラップ シートは再研磨して再成形できます。
コーティング
多くの場合、プラスチックの製造過程で、プラスチック製品全体に顔料または染料の形で色が追加されます。表面コーティングが保護や装飾の目的で使用できる用途は数多くあります。反応射出成形によって製造される自動車のバンパーは、ボディの残りの部分と一体化するために塗装することができます。コーティングは、使用する溶剤が下地の基材を膨潤させないプラスチックにのみ適用できます。これが、これらの材料との良好な結合を提供するために表面処理が必要であるにもかかわらず、ラテックス分散塗料が役立つ理由です.
繊維強化
ポリマーマトリックス複合材は、いくつかの相が存在する多くのプラスチックベースの材料に適用されます。これは、連続相 (マトリックス) がポリマーで、別の相 (補強材) が少なくとも 1 つの長い次元を有するシステムを表すためによく使用されます。複合材料の主なクラスには、個別の層で構成されたもの (サンドイッチ ラミネート) と、繊維マット、織布、ガラスまたはその他の材料の長い連続フィラメントで強化されたものが含まれます。
サンドイッチラミネート
天然木繊維とプラスチックのサンドイッチ構造の合板。これらの層は簡単に区別でき、両方が一緒に保持され、尿素ホルムアルデヒドなどの熱硬化性樹脂が含浸されています。装飾ラミネートは、印刷されたデザインの表面紙と一緒に、繊維質のクラフト紙 (食料品の袋として使用される紙に似ています) の半ダースの層で構成できます。合板とラミネート紙の両方の架橋反応は、大型ラミネートプレスでプレスおよび加熱された材料のシートで行われます。
グラスファイバー
炭素、ホウ素、金属、アラミドポリマーなどの他の繊維材料を繊維強化材として使用できますが、グラスファイバーが最も一般的なタイプです。ランダムに配向したミクロフィブリルのマット、織物、連続または不連続フィラメントとして供給されます。
プラスチックのリサイクルと資源回収
プラスチック素材のリサイクルと回収は、決して見逃せない重要な段階の 1 つです。そのため、好ましい廃棄方法とリサイクル方法が採用されています。紙、ガラス、アルミニウムの容器などの他の素材と同様に、数年にわたってある程度リサイクルされてきました。プラスチックのリサイクルも一般的になりました。再利用が可能で、その他のプラスのメリットがあるからです。
ただし、プラスチックのリサイクルにはさまざまな技術的および経済的な問題があり、それらは一般的に 2 つに分類されます。
<オール>識別、分離、収集
プラスチックは、今日のほとんどの商品のパッケージの一般的な形態です。最近、ほとんどのリサイクルの取り組みは容器に集中しています。主要な商品プラスチックで作られたほとんどすべてのボトル、フード トレイ、カップ、皿には、略語と一緒に三角形で囲まれた識別番号が付いています。
ほとんどの地域では、消費者は空の飲料容器を購入した場所に返却するよう奨励されています.購入時に各ユニットにデポジットを支払う必要があります。この方法は、経済的なリサイクルに関連する 2 つの主要な問題を解決するのに役立ちます。この方法は、消費者がデポジットの返還を求めているため機能します。デポジットが仕分けを行い、店舗がプラスチックを中央の場所に集めます。この沈着の法則により、道端のゴミのプラスチックが大幅に減少しました。また、このシステムは、特にポリエチレンテレフタレート（PET）と高密度ポリエチレン（HDPE）で作られたペットボトルのリサイクル率を高めるのに役立ちました。これにより、すべてのプラスチック製品の 10% 以上が最初の使用後にリサイクルされます。
一方、ほとんどのプラスチックは、電化製品、建設、家庭用家具などの長期的な用途に使用されています。これにより、リサイクルが非常に困難になっています。
価値の経済回復
いくつかの制限はありますが、熱可塑性材料は熱硬化性材料よりも容易にリサイクルできます。第一に、リサイクル可能なプラスチックは、非プラスチックまたは元の製品を構成するさまざまなポリマーによって汚染されている可能性があります。また、同じポリマータイプでも分子量に違いがあります。たとえば、ポリスチレンのサプライヤーは、成形プロセスが高い溶融粘度と弾性に有利に働くため、シート状の食品トレー用に高分子量の材料を製造する場合があります。
サプライヤーは、使い捨て食器の射出成形用に低分子量ポリスチレンを提供する場合があります。これは、粘度が低く、弾力性がほとんどない溶融物で射出成形が最適に機能するためです。上記の製品のポリマーがリサイクル操作で混合される場合、混合された材料は元の用途のいずれにもあまり適していません。
プラスチックのリサイクルに関するもう 1 つの一般的な問題は、異なる色の顔料や染料の混合です。もう 1 つの問題は、ほとんどすべてのプラスチックが、使用または最初の製造の結果により、わずかにまたは大きく変化するため、品質管理の問題です。たとえば、一部のプラスチックは、架橋または鎖切断 (ポリマー鎖を一緒に保持している化学結合の切断) により分子量が変化します。酸化は、プラスチックの特性を変化させるもう 1 つの一般的な反応です。
結論
プラスチックの処理と製造に関するこの詳細な記事では、さまざまな方法が関与することを見てきました.配合、成形、押出、成形について説明しました。射出成形、反応射出成形、ブロー成形、注型・浸漬など、さまざまなプラスチック成形の種類と操作をわかりやすく解説しています。また、プラスチック製造における発泡という用語も理解しており、最後に、プラスチック製造に適用できる仕上げ操作についても学びます。
読んで楽しんでいただければ幸いです。もしそうなら、この投稿のお気に入りの側面について親切にコメントしてください。自由に質問できますし、他の技術系学生と共有することを忘れないでください。役立つかもしれません。ありがとう！
製造プロセス