Изготовление изделий из полимерных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Реактопласты. Основные типы реактопластов. Фенолоальдегидные смолы

Реактопласты (термореактивные пластмассы) -- пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. При этом у них меняется молекулярная структура: линейные молекулы соединяются в пространственные сетки - гигантские макромолекулы. Такое необратимое твердение (этот процесс называют также отверждением, сшивкой, вулканизацией) происходит не только при нагревании (отсюда термин "термореактивные"), но и под действием отвердителей, ультрафиолетового или г- излучения и других факторов. Такие полимеры не пригодны для повторной переработки, но имеют ряд достоинств: повышенную твердость, износо- и теплостойкость, термическую устойчивость.

Наиболее распространенные реактопласты на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол (например, углеволокно). Содержат обычно большие количества наполнителя -- стекловолокна, сажи, мела и др.

По типу реакционноспособных олигомеров реактопласты подразделяют на фенопласты (на основе фенолформальдегидных смол), аминопласты (на основе мочевино- и меламино-формальдегидных смол), эпоксипласты (на основе эпоксидных смол), эфиропласты (на основе олигомеров акриловых), имидопласты (на основе олигоимидов или смесей имидообразующих мономеров) и др. Молярная масса олигомеров, тип и количество реакционноспособных групп в них, а также природа и количество отвердителя определяют свойства реактопластов на стадиях их получения, переработки в изделия (например, условия, механизм и скорость отверждения, объемные усадки и выделение летучих веществ), а также эксплуатационные свойства изделий. Для регулирования технологических свойств реактопластов наиболее широко используют разбавители, загустители и смазки, а для модификации свойств в отвержденном состоянии - пластификаторы и эластифицирующие добавки (например, жидкие каучуки, простые олигоэфиры), которые вводят в олигомер.

Ненаполненные реактопласты сравнительно редко используют как самостоятельные материалы из-за высоких объемных усадок при отверждении смол и возникающих вследствие этого больших усадочных напряжений. Обычно смолы, содержащие модифицирующие добавки, служат связующими наполненных реактопластов. Дисперсно-наполненные реактопласты получают в виде отверждающихся масс, совмещением связующего с наполнителем, в различных смесителях. Такие реактопласты перерабатывают в изделия методами компрессионного или литьевого прессования и литья под давлением, реже заливкой в формы или трансфертам прессованием. Армированные реактопласты получают в виде препрегов, предварительно пропитанных связующим непрерывных волокнистых наполнителей. Изделия из таких полуфабрикатов формуют методами намотки, выкладки и протяжки с последующим фиксированием их формы путем отверждения связующего. В других методах заготовки изделий формуют из "сухого" наполнителя, а затем, предварительно вакуумируя, пропитывают их связующим под давлением, после чего уплотняют и отверждают.

Из газонаполненных реактопластов наибольшее распространение получили пенофенопласты и пенополиуретаны.

Основные преимущества реактопластов, по сравнению с термопластами - более широкие возможности регулирования вязкости, смачивающей и пропитывающей способности связующего; недостатки обусловлены экзотермическими эффектами, объемными усадками и выделением летучих веществ при отверждении и связанными с этим дефектностью и нестабильностью формы изделий и их хрупкостью. Процессы формования изделий из реактопластов обычно более длительны и трудоемки, чем из термопластов. На предельных стадиях отверждения реактопласты не способны к повторному формованию и сварке. Соединение деталей из реактопластов производят склеиванием и механическими методами. При низких степенях отверждения реактопласты способны к так называемой химической сварке и приформовке одной детали к другой.

Фенолоальдегидные смолы - олигомерные продукты поликонденсации фенола, его гомологов (крезолов, ксиленолов) и многоатомных фенолов (например, резорцина) с альдегидами (формальдегидом и фурфуролом). Наибольшее практическое значение имеют феноло-формальдегидные смолы (ФФС), получаемые из фенолов (главным образом монооксибензола) и формальдегида. В зависимости от соотношения реагирующих веществ и природы катализатора образуются термопластичные (новолаки) или терморсактивные (резолы). Так, в присутствии кислых катализаторов (обычно соляной или щавелевой кислоты) при избытке фенола получают новолачные смолы; в присутствии основных катализаторов, например NaOH, Ba (OH)2, NH4OH, при избытке формальдегида - резольные смолы.

Новолачные смолы - преимущественно линейные олигомеры, в молекулах которых фенольные ядра соединены метиленовыми мостиками (например, I) и почти не содержат метилольных групп (- CH2OH). Резольные смолы - смесь линейных и разветвленных олигомеров (например, II), содержащих большое число метилольных групп, способных к дальнейшим превращениям:

Рис. 1 Новолачные смолы - I; Резольные смолы - II.

Новолаки получают по периодической и непрерывной схеме; резолы - только, но периодической. Технологический процесс включает стадии поликонденсации, осуществляемой при температуре кипения смеси (90-98°С), и сушки, проводимой при остаточном давлении 13,30-19,98 Н/м³, или 100-150 мм рт. ст. Температура в конце сушки при получении новолаков 120-130°С, резолов 90-105°С. Новолачные смолы выпускают в виде твёрдых продуктов (стеклообразных кусков, чешуек или гранул), резольные - в виде твёрдых и жидких. Новолаки и резолы (молярная масса 600-1300 и 400-1000 соответственно) хорошо растворяются в спиртах и ацетоне, окрашены в зависимости от типа использованного катализатора в различные цвета - от светло-жёлтого до красноватого. В процессе переработки при нагревании ФФС отверждаются, причём для отверждения новолачных смол необходим отвердитель (обычно вводят уротропин; 6-14% от массы смолы). При отверждении резольных смол различают три стадии: А (начальная), В (промежуточная), С (конечная). На стадии А смола (резол) по физическим свойствам аналогична новолакам, т.к. растворяется и плавится, на стадии В смола (резитол) способна размягчаться при нагревании и набухать в растворителях, на стадии С смола (резит) не плавится и не растворяется.

Отверждённые смолы характеризуются высокими тепло-, водо- и кислотостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, а в сочетании с наполнителями - и высокой механической прочностью. Отверждённые новолаки уступают резитам по тепло-, водо-, химстойкости и диэлектрическим свойствам.

Для направленного изменения свойств ФФС в реакцию при их получении вводят компоненты, способные взаимодействовать с фенолом и формальдегидом. Так, при введении анилина повышаются диэлектрические свойства и водостойкость, при введении мочевины - светостойкость. Для придания способности растворяться в неполярных растворителях и совмещаться с растительными маслами ФФС модифицируют канифолью, трет-бутиловым спиртом; смолы этого типа широко используют в качестве основы для феноло-альдегидных лаков. ФФС совмещают с другими олигомерами и полимерами, например с полиамидами, - для придания более высокой тепло- и водостойкости, эластичности; с поливинилхлоридом - для улучшения водо- и химстойкости; с каучуками - для повышения ударной вязкости, с поливинилбутиралем - для улучшения адгезии. ФФС используют для отверждения эпоксидных смол с целью придания последним более высокой термо-, кислото- и щёлочестойкости. ФФС наиболее широко применяют в производстве различных видов пластмасс: новолаки - для получения пресс-порошков, резолы - пресс-порошков, волокнитов, слоистых пластиков. Из новолаков и резолов изготовляют пенопласты и сотопласты.

Фенолоальдегидные смолы используют для получения красок, образующих твердые и глянцевые пленки. Фенолоальдегидные смолы и композиции на их основе имеют ряд важных особенностей по сравнению со многими другими смолами, включая и полиолефины. К тому же фенолоальдегидные смолы относятся к числу наиболее дешевых синтетических смол

реактопласт пластмасса литье виброформование

2. Основные характеристики наполнителей для пластмасс

Номенклатура наполнителей для пластмасс разнообразна. Это порошковые вещества (древесная мука, мел, тальк, сажа и т. п.), волокнистые (стекловолокно, асбест, органические волокна) и листовые материалы (бумага, древесный шпон, ткани). К числу наполнителей можно отнести и воздушные поры в газонаполненных пластмассах (пено- и поропласты). У большинства пластмасс существенная часть объема приходится на долю наполнителей, а некоторые пластмассы на 80-90% (по объему) состоят из наполнителей (например, древесностружечные плиты, полимербетоны, пенопласты).

Наполнители, уменьшая содержание полимера в пластмассах, значительно снижают их стоимость, усадку и деформативность. Они, особенно минеральные, увеличивают теплостойкость и атмосферостойкость пластмасс и снижают горючесть. Листовые и волокнистые наполнители резко повышают прочность пластмасс на растяжение и изгиб. Некоторые наполнители придают пластмассам специальные свойства. Так, воздушные поры, занимающие более 90% объема газонаполненных пластмасс, делают их идеальными теплоизоляторами, а сажа или графит, вводимые в пластмассу, придают ей свойство электропроводности.

Введением наполнителей решают материаловедческие, технологические и технико-экономические задачи:

· повышение прочностных свойств, в том числе армирование;

· регулирование термодеформационных характеристик;

· придание полимерному материалу специфических свойств (плотность или пористость, электропроводность, магнитовосприимчивость, теплопроводность или теплоемкость, фрикционность или антифрикционность и другие);

· регулирование технологических свойств (вязкость расплава и его стабильность, темп перехода из вязкотекучего в твердое состояние, особенности формования изделий и их извлечения из оснастки);

· придание декоративных свойств;

· снижение стоимости использованием дешевых разновидностей наполнителей.

Требования к наполнителям:

· хорошая смачиваемость жидким полимером;

· способность совмещаться с полимером с образованием однородной массы (для дисперсных наполнителей);

· неизменность свойств при хранении и при переработке;

· минимальная стоимость;

· ровное распределение частиц по размерам в пределах узкого диапазона;

· высокая степень белизны;

· легкая диспергируемость.

Важнейшей характеристикой наполнителей является их морфология и удельная поверхность, от которой зависит эффективность взаимодействия с полимерной матрицей, особенно, когда они, наполнители, подвергаются обработке поверхностно-активными веществами, модификаторами и другими добавками.

Таким образом, применение наполнителей, отличающихся по свойствам, морфологии и содержанию в композите, позволяет в широких пределах регулировать многие физические, технологические и эксплуатационные свойства пластмасс.

3. Методы переработки пластмасс. Литье под давлением. Виброформование

Переработка пластмасс -- это комплекс технологических процессов, обеспечивающий получение полуфабрикатов или изделий из пластмасс с использованием специального оборудования.

Технологический регламент получения изделий из пластмасс включает помимо основного процесса формования изделий целый ряд других мероприятий и операций. Одними из начальных этапов этого процесса являются проектирование рациональной конструкции изделия и формующих инструментов (формы, насадки, головки и др.), а также выбор метода переработки и его технологического режима, разработка рецептуры композиций, являющейся оптимальной для данного метода переработки и качества получаемых изделий.

Собственно процесс переработки включает в себя составление композиций и подготовку их к формованию путем гранулирования, таблетирования, сушки, изготовления изделий определенной формы и размера, а также последующей их обработки с целью повышения свойств и уровня качества путем термической обработки, а также подработки для удаления некоторых дефектов и т.д.

Рассмотрим следующие способы переработки пластмасс:

1. Литье под давлением.

Инжекционный метод литья пластмасс

Требуемый объем расплава (доза) накапливается в материальном цилиндре литьевой машины и затем под высоким давлением (100-200 МПа) впрыскивается, инжектируется, в форму за короткий, измеряемый секундами, интервал времени. Это наиболее распространенный способ. Он позволяет получать изделия сложной конфигурации, с различной толщиной стенок, как из термопластов, так и из термореактивных пластиков, допускает использование многогнездных форм с различной литниковой системой. Особенность технологии -- объем изделий с литниками не превышает паспортного объема впрыска используемой литьевой машины.

Интрузионный метод литья пластмасс

Применяется при червячном способе пластикации для получения толстостенных изделий. Его суть -- вращением червяка расплав в режиме экструзии подается в пресс-форму и заполняет ее, после этого червяк останавливается и осевым движением подпитывает форму, компенсируя естественную усадку остывающего расплава. Особенность подобного способа -- объем изделия может превышать паспортный объем впрыска литьевой машины, но развиваемое в литьевой форме давление невелико, вследствие чего геометрия изделия не должна быть сложной, гнездность формы ограничена, получение тонкостенных изделий затруднено, кроме того, необходимо учитывать термостабильность полимера.

Инжекционно-прессовый метод литья пластмасс

Метод используется для получения изделий значительных по площади прессования, когда заполнение формы сопровождается существенным падением давления расплава в ее периферийных частях, что вызывает эффект разнопрочности изделия. Сущность технологии состоит в том, что давление на расплав в форме создается не только усилием инжекции, но и за счет прессового механизма узла смыкания. С этой целью применяются литьевые формы, конструкция которых допускает перемещение пуансона и после смыкания формы.

Рис.2 Инжекционно-прессовый метод литья пластмасс.

Инжекционно-газовое литье (ИГЛ) пластмасс

Относится к новым методам переработки термопластов с помощью литьевой машины, и поэтому, в частности, его названия еще до конца не определилось. В литературе можно встретить название типа "литье с газом", "литье с подачей сжатого газа", GJD-TEHNJKA, GAS-Jngection Molding и др. Технологически процесс ИГЛ заключается в следующем: расплав полимера инжектируется в форму, заполняя ее на 70-95%. Затем в форму через специальное сопло, или через ниппель в форме подается под давлением газовая смесь, которая "раздувает" расплав, увеличивая тем самым толщину слоя полимера, образовавшегося при его соприкосновении с холодной стенкой формы, и способствуя заполнению конструктивных углублений. После образования изделия газовая смесь удаляется из формы в приемник, пластикатор впрыскивает остаток расплава, "запечатывающий" форму.

Газовая смесь (азот, углекислый газ) может подводиться от компрессора илиот баллона, важно чтобы ее давление было около 80 МПа. Ввод газа в форму может быть единичным или многократным, ступенчатым по величине давления.

Технология ИГЛ позволяет экономить до 40% дорогостоящего полимерного материала за счет уменьшения толщины стенки изделия, сократить цикл изготовления на 25-35%, уменьшить вероятность брака за счет исключения таких видов дефектов, как утяжены, коробления, развитый облой. Кроме того, как показывает практика, инжекционно-газовая технология позволяет упростить конструкцию и понизить стоимость формующей оснастки.

Существенная трудность ИГЛ-технологии состоит в необходимости высокоточного управления литьевой машиной, усложняется конструкция сопла, повышаются требования к расчету и качеству изготовления литниковой системы и сопряжений литьевых форм.

Рис. 3 Инжекционно-газовое литье (ИГЛ) пластмасс

Многослойное литье пластмасс под давлением

Относится к специальным видам, иногда называемым соинжекционными. Это название отражает общую особенность этих методов -- обязательное участие в процессе двух, а в некоторых случаях и трех инжекционных узлов, в каждом из которых пластицируется полимерный материал с индивидуальными свойствами. Таким образом, появляется возможность получать многоцветные изделия, изделия, состоящие из различных видов пластмасс (поверхность из ПЭВП, а основной объем из вспененного полистирола), использовать вторичное полимерное сырье для внутренних, неответственных частей деталей, производить изделия гибридной конструкции и пр. Многослойное литье осуществляется несколькими способами.

2. Сэндвич-литье пластмасс под давлением.

Заключается в попеременной подаче в литьевую форму полимерных расплавов из двух пластикаторов. Два инжекционных узла присоединяются к соплу, в конструкции которого предусмотрено переключающее устройство. Как правило, это управляемый игольчатый клапан (ИК). Клапан попеременно или одновременно соединяет с литьевой системой формы пластикационные узлы. Материал из первого узла под высоким давлением и с высокой скоростью инжектируется в форму, образуя наружное покрытие изделия. Затем внутренний объем изделия заполняется материалом из второго узла, после чего в работу повторно включается первый узел, добавляющий остатки расплава в форму и "запечатывающий" изделие.

Рис. 4 Сэндвич-литье пластмасс под давлением.

3. Соинжекционное литье пластмасс под давлением.

Требует применения сопла специальной конструкции, называемого также разделительной головкой. Эта технология позволяет получать изделия с числом слоев больше двух, с полным или частичным разделением цветов.

Рис. 5 Соинжекционное литье пластмасс под давлением

4. Литье в многокомпонентные формы (Multi-component injection molding)

Позволяет получать изделия с четким разделением цветов, а также детали гибридной конструкции, в которых из каждого полимерного материала исполнена центральная или периферийная часть. В этом случае инжекционные узлы выполняют традиционные функции, а конструкция детали определяется устройством литьевой формы. Литьевая форма имеет две литниковых системы, постоянно сомкнутые с инжекционными узлами I и II. В пуансоне формы имеются подвижные вставки, перемещаемые пневмоприводами. Вставки оформляют тот или иной конструкционный элемент изделия. Особенность этого метода состоит в том, что работа узлов инжекции происходит изолировано друг от друга. Поэтому если узел II в приведенном примере работает в режиме инжекции, то узел I может действовать в интрузионном режиме, благодаря чему объем части изделия, формуемой из полимера I, может иметь весьма значительный размер.

Рис. 6 Литье в многокомпонентные формы

5. Ротационное литье (не путать с ротационными ЛМ)

Является разновидностью описанного выше способа, поскольку позволяет решать те же задачи, однако требует использования съемной вставки. После оформления центральной части изделия (узел I) вставка извлекается, а в образовавшийся объем инжектируется расплав из узла II. В цикл производства изделия ротационным литьем введена дополнительная операция размыкания формы и удаления (установки) вставки, что не способствует высокой производительности метода.

Виброформование

Виброформование полимеров объединяет такие методы переработки пластмасс, при которых перерабатываемый материал получает вибрационные импульсы, что способствует интенсификации процессов, снижению трудоемкости и повышению качества изделий. Для процессов виброформования применяются как специальные установки, так и обычные машины для литья под давлением, экструдеры и другие, оснащенные вибрирующим устройством. Используются установки с низкой, высокой и ультразвуковой частотой вибрации. Основными видами виброформования являются виброэкструзия, виброинжекция (литьевое виброформование) и вибропрессование.

Виброэкструзия

При экструзии вибрационная активизация течения полимера в формующей головке может быть обусловлена асимметричным преобразованием колебаний в потоке или на его границе. Колебания потоку полимера могут сообщаться осциллирующим поршнем на входе в зону формования, возбуждая в потоке продольные волны, или посредством вибрирующей поверхности (формующим элементом) экструзионной головки, вызывающей в формующем зазоре интенсивные сдвиговые (тангенциальные) колебания.

Схемы виброэкструзионных установок, в которых вибровоздействие осуществляется посредством одного или двух осциллирующих поршней (плунжерных вибронасосов), совершающих возвратно-поступательное перемещение на входе в экструзионную головку с частотой от нескольких Гц до нескольких децигерц и амплитудой порядка нескольких мм, выглядят следующим образом.

Рис. 7 Червячно-дисковой экструдер с одним осциллирующим плунжером

Червячно-дисковой экструдер с одним осциллирующим плунжером, разработанный заводом Кузполимермаш совместно с НИИШП. На этой установке за счет вибровоздействия удается повысить давление на входе в формующую головку и увеличить до 3-4 раз скорость экструзии резиновых смесей и высоконаполненных смесей олигомера с техуглеродом.

Рис. 8 Экструдер с двумя осциллирующими плунжерами

Схема экструдера с двумя осциллирующими плунжерами, предложенная фирмой "Седепро" ("Мишлен") для повышения и стабилизации скорости экструзии профилированных изделий, в частности, резиновых ленточек для навивки деталей шин по технологии С3М.

Рис. 9 Схема компоновки

Схема компоновки вибропоршневой приставки на червячной машине МЧХ-63, разработанной МИТ для профилирования фенольно-каучуковых композиций.

В головке, представленной на рисунке 12, УЗК подводятся к дорну 3 и матрице 4 от магнитострикционного преобразователя 6 через волновод 5. Указанная ультразвуковая головка прошла апробацию на заводе Сибкабель, показавшую, что УЗ обработка электроизоляционной резиновой смеси повышает механические и диэлектрические свойства кабельных оболочек.

Рис. 12 Ультразвуковая головка

УЗК колебания имеют длину волны, соизмеримую с размерами формующего инструмента. В этой связи крепление виброголовки к экструдеру целесообразно осуществлять в области узла стоячей волны (при резонансной частоте), а зону формования - располагать в зоне пучности.

Рис. 13 Ультразвуковые головки с различными схемами подвода УЗК

Ультразвуковые головки с различными схемами подвода УЗК, что позволяет существенно повысить скорость экструзии резиновых смесей, снизить температуру и усадку экструдата.

Виброинжекция

При литье под давлением использование вибрирующего поршня позволяет за счет пульсаций давления увеличить до 3-4 раз скорость впрыска и до 2-2,5 раз предельную длину затекания смеси в полость формы, а также интенсифицировать процесс нарастания давления в форме и повысить качество изделий.

Рис. 14 Виброприставка МИХМ

Виброприставка МИХМ, устанавливается между инжекционным цилиндром и соплом литьевой машины и закрепляется на ее колоннах. В качестве вибропривода используется эксцентриковый генератор колебаний.

Рис. 15 Вибропоршневая приставка с гидравлическим вибратором

Схема вибропоршневой приставки к литьевой машине с гидравлическим вибратором конструкции ВНИКТИРП. Для создания пульсаций в зоне формования ВНИКТИРП предложена также схема с двумя осциллирующими поршнями, работающими в противофазе.

Вибропрессование

При компрессионном прессовании периодические импульсы в формующей полости могут возбуждаться вибрирующими матрицей или пуансоном на стадиях смыкания и раскрытия полуформ, улучшая условия формования и способствуя удалению летучих продуктов. В "Юнироял" разработали вибрационный пресс для вулканизации покрышек (вибраторы устанавливались на наружных боковых поверхностях полуформ). Вибровоздействие с частотой до 80-100 гц в процессе вибропрессования прикладывалось как на стадиях смыкания, так и раскрытия полуформ, при этом улучшались условия формования и облегчался процесс удаления летучих продуктов.

Рис. 16 Схемы литьевого прессования с вибропоршнем в литьевой камере и установка для ультразвукового прессования.

Низкочастотное и ультразвуковое воздействие способствует улучшению формуемости, сокращению времени заполнения пресс-форм и улучшению качества изделий.

Литература

1. Бахарева В.Е., Шерышов М.А. и др. Переработка пластмасс. Справочное пособие. Под ред. В.А. Брагинского. - Л.: Химия, 1985. - 296 с.

2. Власов С.В., Кандырин Л.Б., Кулезнев В.Н. Основы технологии переработки пластмасс. Учебник для вузов. - М.: Химия. - 2004. - 600 с.

3. Веселов И., Любартович С., НИИШП, Журнал "Химия и бизнес" №6. - 2009.

4. Головкин Г.С. Проектирование технологических процессов изготовления изделий из полимерных материалов. М.: КолосС.2007. - 399 с.

5. Гуль В.Е., Акутин М.С. Основы переработки пластмасс. - М.: Химия, 1986. - 425 с.

6. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов В.В. и др. Производство изделий из полимерных материалов. - СПб.: Профессия. - 2004 - 654 с.

7. Освальд Т.А., Тунг Л.-Ш., Грэманн П.Дж. Литье пластмасс под давлением. - СПб.: Профессия, 2006. - 712 с.

8. [Электронный ресурс]. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3397.html

Размещено на Allbest.ru