Теоретические основы и технология переработки пластических масс

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ 
ПЕРЕРАБОТКИ 
ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

УЧЕБНИК

В.Г. БОРТНИКОВ

Третье издание

Рекомендовано
Федеральным государственным бюджетным образовательным 
учреждением высшего профессионального образования 
«Российский химико-технологический университет 
имени Д.И. Менделеева» в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 18.03.01 «Химическая технология» 

Москва
ИНФРА-М
2020

Б83

ISBN 978-5-16-009639-1 (print)
ISBN 978-5-16-100924-6 (online)
© Бортников В.Г., 2015

Р е ц е н з е н т ы:
ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» 
(РХТУ им. Д.И. Менделеева);
кафедра оборудования и робототехники Санкт-Петербургского государственного технологического института (технологический университет) (зав. кафедрой — д-р техн. наук, 
проф. В.П. Бритов)

УДК 678.5/.6(075.8)
ББК 35.710я73
 
Б83

Бортников В.Г. 
Теоретические основы и технология переработки пластических 
масс : учебник / В.Г. Бортников. — 3-е изд. — Москва : ИНФРА-М, 
2020. — 480 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее 
образование). — DOI 10.12737/7356.

ISBN 978-5-16-009639-1 (print)
ISBN 978-5-16-100924-6 (online)
В учебнике приведено подробное описание технологических процессов 
изготовления изделий из пластмасс методом экструзии, литьем под давлением, прессованием, каландрованием и пневмовакуумным формованием, 
а также изготовления емкостей выдуванием с анализом влияния технологической оснастки и параметров переработки на качество изделий. Для 
работников предприятий значительный интерес представляют процессы 
изготовления плетеных мешков, сеток и профилей, а также получение тары 
и упаковки сваркой. Рассмотрена функциональная логическая связь между 
технологическими параметрами переработки полимеров, их реологическими свойствами, техническими характеристиками литьевых машин или 
экструдеров, литниковыми каналами формы, обеспечивающая уточненные 
параметры температуры расплава, времени цикла, нормы обслуживания, 
расхода полимера, гнёздности формы и основных технико-экономических 
показателей производства. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Химическая технология». Методические разделы и справочные данные приложений могут 
быть использованы специалистами предприятий для разработки новых и 
совершенствования существующих технологических процессов, а также 
студентами при выполнении курсовых и дипломных проектов.

УДК 678.5/.6(075.8)
ББК 35.710я73

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ВВЕДЕНИЕ

Технология переработки полимеров — это область науки и техники, 

изучающая процессы получения изделий из пластических масс или 
улучшения свойств полимеров. Изготовление изделий из пластмасс — 
сравнительно сложный технологический процесс, базирующийся на 
использовании физико-химических, реологических, термодинамических, теплофизических и других закономерностей. В зависимости 
от условий формования (температуры расплава, скорости течения, 
давления и времени охлаждения) изменяется степень кристалличности и физико-механические свойства полимеров, поэтому выбор и 
обоснование этих параметров имеют принципиальное значение.

Технология переработки начала развиваться как самостоятельная 

область науки после завершения целого ряда фундаментальных исследований по физике и механике полимеров. Особое значение развитие теоретических основ переработки полимеров приобретает в 
настоящее время в связи с появлением быстродействующей компьютерной техники. Переработка пластмасс в изделия — трудоемкий 
процесс и, чтобы в ближайшие годы обеспечить резкое повышение 
выпуска изделий из пластмасс без увеличения численности занятых 
в этой отрасли рабочих, необходимо разрабатывать принципиально 
новые технологические процессы, автоматические линии и переводить их на управление с использованием ЭВМ. Перевод технологии 
на автоматизированное управление (АСУТП) потребует создания 
математических моделей, учитывающих весь комплекс протекающих 
физико-химических процессов.

Процесс производства изделий из пластмасс можно условно раз
делить на шесть этапов: разработка конструкции изделия; разработка 
конструкции технологической оснастки (пресс-формы, формы для 
выдувания, формующие экструзионные головки и т.д.); разработка 
технологического процесса и расчет параметров переработки; выбор 
и расчет оборудования; разработка технологии отделочных операций 
и расчет технико-экономических показателей производства (рис. 1).

Любое изменение элементов конструкции или материала требует 

анализа, как это повлияет на остальные процессы и в целом на технико-экономические показатели производства. Если рассмотреть 
важность всех этапов, то главными все же являются разработка конструкции изделия и выбор полимера, так как они являются основополагающими. Невозможно исправить дефекты конструкции за счет 
технологии и технологической оснастки.

Разработка конструкции изделия включает целый ряд сложных 

этапов. Создание чертежа начинается с анализа функционального 

назначения изделия, после чего находятся основные элементы конструкции и производится ее анализ на технологичность, требования 
дизайна, после чего производится расчет на прочность и выбирается 
вид полимера. 

Прочность полимера в изделии зависит от конструкции техноло
гической оснастки и параметров, обусловленных конструкцией оборудования (скорость впрыска, степень гомогенизации расплава, 
рабочее давление и др.). Таким образом, окончательно выбрать марку 
полимерной композиции можно только после разработки технологического процесса, проектирования технологической оснастки и 
выбора оборудования.

При разработке технологического процесса формования изделия 

учитывается влияние технологических параметров и конструкции технологической оснастки на прочность изделия, трудоемкость изготовления, уровень автоматизации, расход полимера и стабильность процесса. Процесс формования изделия осуществляется за счет деформации или течения расплава полимера, т.е. сопровождается процессами 
плавления, кристаллизации, релаксации, термодинамическими процессами и процессами теплопередачи и описывается физико-химическими, теплофизическими и реологическими закономерностями, т.е. 
довольно сложными математическими моделями. 

Рис. 1. Схема логической взаимосвязи конструкторско-технологических 

этапов производства изделий

Разработка конструкции технологической оснастки непосред
ственно связана с геометрической формой изделия, при этом 
должны учитываться сложность конструкции формы или формующей экструзионной головки, производительность процесса и трудоемкость изготовления изделия, степень автоматизации и расход 
материала. Гнездность формы должна учитывать годовой выпуск 
изделий и сложность изделия, поэтому определяется с учетом технико-экономических показателей производства. Конструкция 
формы влияет также на расход полимера, трудоемкость изготовления изделия.

 Выбор типоразмеров и вида оборудования производится с учетом 

выбранного технологического процесса и заданной производительности. Основным фактором при выборе должна быть комплексность 
всех технологических операций изготовления изделия, таких как 
формование, доработка, контроль и упаковка, так как это позволяет 
максимально автоматизировать технологические операции и снизить 
трудоемкость изготовления изделий.

При разработке реальных производств разделить перечисленные 

этапы или указать их последовательность невозможно, так как процесс конструирования изделия, пресс-формы и разработка технологии осуществляются с многократным движением по круговой схеме 
(см. рис. 1).

В книге показано, что эту сложную задачу можно легко решить, 

если использовать функционально-логическую зависимость между 
различными параметрами технологического процесса. Так, например, при литье под давлением текучесть полимера выбирается с использованием зависимости размеров изделий с реологическими 
свойствами расплава, температура переработки которого связана с 
режимом течения, создаваемого литьевой машиной, а режим течения 
функционально связан с размерами литниковых каналов, и все это 
влияет на время цикла и норму обслуживания оборудования. 

Используя полученную автором книги функциональную связь 

группы сложности изделия с коэффициентом расхода полимера и 
трудоемкостью изготовления литьевой формы, можно достаточно 
точно рассчитать реальную себестоимость продукции, выбрать оптимальную гнездность формы и марку оборудования. Для сравнительной оценки различных марок оборудования в книге рассмотрена 
возможность использования в качестве критерия качества, коэффициента эффективной мощности, учитывающего связь производительности, скорости вращения и размеров шнека с проектной мощностью привода. Выбор типоразмера экструдера трубной линии 
производится с применением функциональной зависимости между 
производительностью экструдера и типоразмерами трубы. Для 
оценки литьевой машины применяется коэффициент эффективной 

мощности узла впрыска, найденный с учетом массы отливки, объемной скорости впрыска и удельного давления литья.

Автором книги впервые разработана методика перевода показа
теля текучести полимера в реологические характеристики, установлена взаимосвязь их с реологическими параметрами формования 
изделий различными методами. В результате построена планшетная 
реологическая номограмма, позволяющая достаточно легко, без 
справочных данных, сравнительно точно рассчитать температуру 
переработки, потери давления в литниковых и формующих каналах 
и проследить термодинамику процесса. Впервые установлена взаимосвязь между условиями формования и прочностью экструзионных 
изделий при течении в конических или вращающихся каналах, 
а также установлены закономерности движения гранул полимера в 
каналах шнека при наличии продольных или винтовых канавок на 
поверхности цилиндра экструдера. 

Содержание книги и последовательность разделов составлены по 

принципу преемственности технологических процессов и общности 
их теоретических основ. В данной книге использован курс лекций, 
читаемый автором в Казанском национальном исследовательском 
технологическом университете.

Часть I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ 

ГЛАВА 1

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ 
ХАРАКТЕРИСТИК В ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛИМЕРОВ

1.1. СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ ПОЛИМЕРОВ 

При переработке полимеров практическое значение имеют такие 

характеристики, как скорость кристаллизации, теплота плавления, 
а также изменение размеров и конфигурации структурных образований кристаллизующихся полимеров в зависимости от условий формования и охлаждения изделий. А у аморфных полимеров в зависимости от условий формования изменяется остаточная степень ориентации макромолекул. Все перечисленные характеристики 
достаточно подробно описаны в монографиях и учебных пособиях 
по физической химии полимеров, однако в них недостаточно подробно освещены разделы изменения структуры в зависимости от 
условий переработки полимеров. Поэтому в данной главе в основном 
рассмотрены лишь вопросы практического использования физикохимических характеристик для теоретического обоснования процессов переработки с учетом особенностей строения отдельных групп 
полимеров, а также для анализа влияния технологических параметров на качество готовых изделий. 

Наиболее регулярная надмолекулярная структура образуется на 

стадии полимеризации полимера, при этом ее форма и размеры зависят от вида полимера и гибкости макромолекул. Однако если при 
полимеризации происходит перемешивание среды, то геометрическая форма кристаллической структуры изменяется от действия напряжения сдвига, возникающего при течении расплава в реакторе 
или грануляторе, поэтому структура имеет видоизмененную форму. 

Рассмотрение вопроса о строении целесообразно начать с распла
вов полимеров, когда макромолекулы находятся в подвижном состоянии и легко меняют конформацию. В статическом состоянии 

происходит непрерывное перемещение отдельных звеньев и соблюдается относительное равновесие. При этом у полимеров, имеющих 
гибкие макромолекулы, термодинамически более выгодной оказывается не полностью вытянутая макромолекула, а многократно сложенная так, что значительные части ее боковой поверхности примыкают друг к другу, при этом из участков складывания возникают 
упорядоченные образования — домены (рис. 1.1). Размеры доменов 
зависят от температуры и механизма воздействия на макромолекулы 
при полимеризации и при последующей переработке полимера. Неупорядоченные, не входящие в складки участки макромолекулы образуют дефектные области, содержащие проходные участки с другими макромолекулами или петли макромолекул 1, образующие 
меж узловые зацепления 2 (флуктуационную сетку) (см. рис. 1.1, а). 
Размеры, расположение и количество доменов зависят от температуры и внешних воздействий. При повышении температуры размеры 
доменов уменьшаются за счет перехода части сегментов макромолекул в подвижную (гибкую), дефектную область. При этом размеры 
доменов все время изменяются за счет теплового движения макромолекул.

После приложения к расплаву внешних усилий, например напря
жений сдвига в процессе формования изделия, происходит ориентация больших осей макромолекул и переход их в неравновесное состояние (см. рис. 1.1, б). Расположение макромолекул в направлении 
течения расплава и переход неупорядоченной дефектной области ее 
в сравнительно вытянутое состояние характеризует степень ориентации макромолекулы, которая количественно взаимосвязана с напряжениями сдвига или с нормальными напряжениями растяжения 
расплава в каналах экструзионных головок или формующих полостях 
при литье.

y

x

z

1

2

 
а) 
б)

Рис. 1.1. Конформация макромолекул кристаллизующегося полимера 

в расплаве:

а — в равновесном состоянии; б — в ориентированном состоянии

При охлаждении расплава кристаллизующийся полимер перехо
дит в кристаллическое состояние, при этом плотность полимера при 
определенном температурном интервале резко возрастает. При кристаллизации локализованные области макромолекул (домены), соединяясь друг с другом по плоскостям складывания, образуют первичные структурные элементы — кристаллиты, из которых в процессе охлаждения возникают пластинчатые промежуточные 
структуры — ламели. Если в процессе складывания концы молекулы 
находятся в разных плоскостях, то между кристаллитами, а соответственно и между ламелями образуются «мосты», т.е. они соединяются 
проходными участками молекул.

Некоторые макромолекулы проходят через ламель только один 

раз, затем попадают в дефектную область и входят в другие ламели. 
Другая часть макромолекул после выхода из кристаллита может 
снова вернуться в него, при этом между ламелями образуются петли. 
Таким образом, ламель состоит из кристаллитов 1, соединенных 
между собой петлеобразными участками 2 и проходными участками 3 основной цепи макромолекулы (рис. 1.2).

Следует отметить, что, чем больше в данном направлении между 

ламелями проходных участков макромолекул и петель, тем прочнее 
будет в этом же направлении изготовленное изделие. Этот факт 
имеет принципиальное значение, и его используют при переработке 
полимеров. За счет проходных молекул или образования петлеобразных участков, выходящих из плоскости складывания, возникают 
дефектные (аморфные) области, связанные с кристаллитами. Но при 
этом полимер, как бы велико ни было содержание в нем аморфных 
областей, остается однофазной кристаллической системой, так как 
физическое разделение этих областей невозможно. Поэтому неупорядоченные области на границе между ламелями можно рассматри
1

2

3

Рис. 1.2. Схема образования 
ламели при кристаллизации

вать как дефекты кристаллической структуры. При этом в межламелярное пространство, как правило, вытесняются некристаллические 
компоненты (низкомолекулярные фракции полимера, примеси, боковые ответвления макромолекул и т.д.). В кристаллическом фазовом 
состоянии у полимеров имеется дальний трансляционный порядок 
в расположении частей макромолекул, при этом принцип плотной 
упаковки молекул осуществляется за счет параллельного расположения их осей. Кристаллизация из расплава приводит к образованию 
полимеров, имеющих микрокристаллическое строение и состоящих 
из отдельных кристаллических структур размером примерно от 
1⋅10 −8 до 1⋅10 −6 м.

Получить полимер с более крупной структурой и с высокой сте
пенью кристалличности возможно, если кристаллизацию проводить 
при температуре, близкой к температуре плавления, или после 
охлаждения изделия производить повторное нагревание до температуры несколько ниже Tпл, т.е. произвести термообработку. Повышается степень кристалличности при медленном охлаждении, а ориентация полимеров перед кристаллизацией, наоборот, ее понижает.

В зависимости от строения полимера, а также условий кристал
лизации образуются кристаллические структуры, состоящие из различных элементарных ячеек, которые различаются взаимным расположением цепей макромолекул. Так, для поликарбоната, полиэтилена и некоторых других полимеров наиболее характерна 
орторомбическая ячейка, показанная на рис. 1.3. Подобная ячейка 
построена из зигзагов макромолекул, сдвинутых относительно друг 
друга вдоль оси а. Ячейка содержит пять звеньев макромолекул, одно 
в центре и четыре в углах, направленных вдоль оси с. Размеры ячейки 
обозначают с помощью линейных величин а, в, с и углов α, β и γ 
(табл. 1.1, рис. 1.3). 

Если проанализировать строение кристаллитов относительно рас
положения в них зигзагообразных участков (доменов) макромолекул, 
то вероятнее всего сложенные участки (зигзаги макромолекул) располагаются в плоскости, параллельной большой оси а, т.е. в плоскости (110) кристалла (рис. 1.3, а), образуя с осью с угол β, а с осью b 

Та б л и ц а  1 . 1

Размеры кристаллических элементарных ячеек полимеров

Наименование ячейки
Линейные размеры
Величина углов

Кубическая
а = в = с
α = β = γ = 90°

Орторомбическая
а ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90°

Моноклинная
a ≠ b ≠ c
α = γ = 90° ≠ β

Тетрагональная
a = b ≠ c
α = γ = β ≠ 90°

Гексагональная 
а = b ≠ c
α = β = 90°; γ =120°