Переработка реактопластов.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

Пластические массы

Структура пластмасс. Пластические массы - это материалы на основе полимеров. Полимер - высокомолекулярное соединение, макромолекулы которого состоят из очень большого числа простых, одинаковых, повторяющихся звеньев. Например, полиэтилен [-CH₂-CH₂-]_n образуется из мономера - этилена CH₂ = CH₂, где число n может достигать нескольких десятков тысяч единиц.

Если макромолекула состоит из звеньев различной природы, то материал называется сополимером.

Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную или сетчатую структуру (рис.58).

 

Рис.58. Структура макромолекул: а-линейная, б-разветвленная,

сетчатая

 

Полимеры с линейной и разветвленной структурой макромолекул относятся к термопластичным (термопластам), полимеры с сетчатой структурой - к термореактивным (реактопластам).

Термопласты (полиэтилен, полистирол, капрон и др.) при нагреве расплавляются до высоковязкой жидкости, при охлаждении они восстанавливают свои свойства. Это позволяет перерабатывать термопласты неоднократно. Термопласты обладают повышенной пластичностью, но малой теплостойкостью, они растворимы в соответствующих растворителях.

Реактопласты (стеклопластики, текстолит и др.) при повышении температуры не размягчаются, но при достижении достаточно высокой температуры разрушаются. Реактопласты не растворимы.

Полимеры в зависимости от своей природы и условий затвердевания могут иметь структуру с преобладающим содержанием аморфной или кристаллической фазы.

Необратимое изменение свойств полимера во времени под влиянием внешней среды называется старением. Для борьбы со старением в полимеры вводят стабилизаторы, которые, вступая в реакцию, препятствуют развитию процессов окисления. Например, введение в полиэтилен 2% сажи повышает устойчивость его против старения в 30 раз.

Основные представители полимеров и пластмасс. При введении в полимер наполнителей (древесная или кварцевая мука, стекловолокно, стеклоткань, хлопчатобумажная ткань, бумага и др.) пластификаторов, пигментов (оксид железа, оксид хрома и др.), стабилизаторов (сажа и др.) получаются пластмассы - композиционные материалы, состоящие из нескольких компонентов. Наполнители вводят для изменения свойств полимеров, их удешевления; пластификаторы - для повышения пластичности материала, пигменты - для достижения необходимой окраски; стабилизаторы - для борьбы со старением.

Основными термопластичными полимерами являются полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, органическое стекло, капрон, фторопласт и др.

Полиэтилен имеет повышенную пластичность, характеризуется низким водопоглащением, обладает высокими диэлектрическими свойствами и химической стойкостью. Практически не растворяется в органических растворителях. Недостатки полиэтилена - невысокая механическая прочность, низкая теплостойкость и склонность к старению. Полиэтилен высокого давления используется для изоляции проводов, кабелей и для изготовления пленки; низкого давления - для труб, различных емкостей, конструкционных несиловых деталей.

Полипропилен характеризуется повышенной прочностью и теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом. Недостаток полипропилена - пониженная морозостойкость. Его используют для электрической изоляции, изготовления труб, конструкционных деталей.

Полистирол - стеклообразный при нормальной температуре материал, более жесткий чем полиэтилен. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Недостатки полистирола - хрупкость, невысокая ударная вязкость и пониженная теплостойкость. Полистирол широко используется в качестве изоляционного материала в радиотехнике, в электронной технике в виде деталей. При введении в полистирол порофоров и последующим вспенивании получают пенополистирол, характеризующийся хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Поливинилхлорид является практически аморфным полимером, обладающим низкой температурой разложения. Для предохранения материала от разложения в него вводят стабилизатор, а для повышения пластичности - пластификатор. Стабилизированный поливинилхлорид называют винипластом, а стабилизированный и пластифицированный - пластикатом. Винипласт используют в качестве труб, листов, емкостей в химической, нефтяной и пищевой промышленности, как материал обладающий хорошей химической стойкостью. Пластикат применяют в качестве изоляционного материала. На основе пластиката изготавливают линолеум, искусственную кожу и др.

Органическое стекло характеризуется хорошей светопрозрачностью до 99% видимых и 75% ультрафиолетовых лучей. Его применяют в некоторых случаях для остекления и изготавливают из него низкочастотные изоляторы. Недостатком оргстекла является поверхностное растрескивание. С целью повышения его механической прочности и сопротивляемости растрескиванию проводят вытяжку листов в высокоэластическом состоянии.

Капрон, относящийся к полиамидам, обладает повышенными механическими свойствами по сравнению со всеми предыдущими материалами, а также имеет хорошие антифрикционные свойства. Недостаток капрона - большее водопоглощение. Его используют в машиностроении для изготовления подшипников скольжения, шестерен и др.

Фторопласт характеризуется высокой химической стойкостью ко всем кислотам, щелочам, совершенно не поглощает воду, работоспособен в широком диапазоне температур (от -200 до + 200 ⁰С) и является хорошим диэлектриком. Недостатки - фторопласта невысокие механические свойства и интенсивная ползучесть при небольших нагрузках. Его используют в качестве диэлектрика и антифрикционного материала, а также для несиловых деталей, работающих в агрессивных жидкостях.

Названные выше термопласты хорошо обрабатываются механическими способами (точение, фрезерование, и др.).

К термореактивным полимерам следует отнести фенолоформальдегидную, полиэфирную, эпоксидную, кремний органическую смолы, которые в твердом состоянии имеют сетчатую структуру макромолекул. Названные смолы имеют невысокую механическую прочность и в чистом виде не используются. Смолы широко используются в качестве связующего для изготовления пресс-порошков, стекловолокнитов, текстолитов, углепластиков. В композиционных пластмассах содержание смолы достигает 30-50%. Из перечисленных смол наибольшей механической прочностью обладают эпоксидные смолы, наиболее дешевыми являются фенолоформальдегидные смолы.

Пресс-порошки представляют собой композиционные материалы чаще всего на основе фенолоформальдегидной смолы и наполнителя в виде древесной, кварцевой муки, асбеста, графита и др. Наполнитель придает материалу необходимые механические свойства. Из них изготавливают детали электротехнического назначения (розетки, штепсели, патроны и т.д.), несиловые детали машиностроения (кнопки, ручки и т.п.).

Текстолиты получают на основе фенолоформальдегидной смолы и хлопчатобумажной ткани. Текстолиты имеют хорошие антифрикционные свойства, высокую прочность на сжатие и хорошие электроизоляционные показатели. Их используют для подшипников скольжения, зубчатых колес и электроизоляционного назначения. Обрабатываемость текстолита механическими способами удовлетворительная.

Углепластики получают с использованием углеродных волокон. Углеродные волокна изготавливают из вискозного или полиакрилонитратного волокна путем их термической обработки при 1500-3000 ⁰С в инертной среде. При этом происходит процесс карбонизации и образование кристаллической решетки углерода. Для углепластиков характерны повышенные жесткость и модуль упругости при растяжении, а также высокая тепло- и химическая стойкость. Их применяют для изготовления сопел реактивных двигателей, лопастей вертолетов.

Переработка термопластов. Для изготовления изделий из термопластов наиболее часто используют следующие основные способы: литье под давлением, центробежное литье, свободное литье, экструзию (выдавливание), раздувку, вакуумное и пневматическое формование, штамповку.

Литье под давлением - наиболее распространенный метод обработки термопластов. Он осуществляется на литьевых машинах (рис.59) и заключается в размягчении материала в цилиндре 4 и за счет нагрева и перемешивания его шнеком 5 до вязкотекучего состояния. При поступательном движении шнека материал через сопло 6 под давлением впрыскивается в литьевую форму 7, где охлаждается и застывает, повторяя конфигурацию формы.

 

Рис.59. Схема шнековой литьевой машины: 1-гидравлический

цилиндр; 2-привод; 3-бункер; 4-пластикационный цилиндр; 5-шнек; 6-сопло; 7-литьевая форма; 8-нагреватели

 

Литьевая форма состоит из правой неподвижной и левой подвижной частей. При размыкании формы левая часть ее (пуансон) с изделием отходит влево, при соприкосновении с выталкивателем изделие падает в приемный лоток. Весь процесс - от подачи гранул материала в бункер до транспортировки готового изделия - может быть автоматизирован. Наряду со шнековыми машинами для переработки термопластов используют и поршневые литьевые машины. Температура переработки изменяется в пределах от 175 ⁰С для полиэтилена до 215 ⁰С для полистирола.

При литье под давлением получают изделия массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенки до 10 мм.

К недостаткам процесса можно отнести появление в деталях остаточных напряжений и расход материала на литники.

Центробежное литье заключается в том, что расплав термопласта заливают в нагретую цилиндрическую форму, которую приводят во вращение. Центробежная сила отбрасывает материал к стенкам формы и уплотняет его. После охлаждения и остановки формы изделие извлекают и подвергают механической обработке. Так изготавливают трубы, шестерни, втулки и т.п.

При свободном литье разогретый материал затвердевает в форме без давления. Его использование ограничено из-за появления в изделии раковин и других дефектов. С целью устранения дефектов процесс производят на вибростоле с использованием вакуума, что позволяет уплотнить материал и удалить газы, выделяющиеся при полимеризации. Этот метод применяют для получения изделий из органического стекла, а также капролита массой до 50 кг.

Метод экструзии заключается вразмягчении материала и непрерывном выдавливании его червячными или дисковыми устройствами в вязкотекучем состоянии через профилирующее отверстие головки с последующим охлаждением изделия. Так получают трубы, стержни, листы, пленки, изделия, имеющие поперечное сечение в виде различных профилей.

Рис.60. Горизонтальный экструдер: 1-привод; 2-бункер; 3-цилиндр;

4-червяк; 5-канал для выхода расплава; 6-нагреватели

Поступающее в бункер 2 (рис.60) материал расплавляется и перемешивается червяком 4, что обеспечивает однородность состава. Метод экструзии, наряду с методом литья под давлением, является одним из наиболее распространенных при переработке термопластов. Основное преимущество - его высокая производительность, равная 1 м/мин готового изделия.

Метод раздувки используют для изготовления пустотелых изделий (канистры, бутылки) и пленок. При этом методе термопласт выдавливается через головку экструдера в виде трубчатой заготовки. К заготовке подводят две полуформы (рис.61), затем их смыкают. Через горловину изделия подводят сжатый воздух, который раздувает заготовку до необходимой конфигурации. За 1 час изготавливают 600 шт.

 

Рис.61. Схема раздувки полых изделий: а-форма разомкнута и подана

заготовка; б-форма сомкнута и подан сжатый воздух; в-форма разомкнута: 1-трубчатая заготовка; 2-головка экструдера; 3-форма; 4-каналы для охлаждения формы; 5-изделие

 

Метод раздувки является также основным для получения пленки из полиэтилена, полипропилена и других материалов, которые не подвергаются термической деструкции при переходе в вязкотекучее состояние (рис.62).

Рис.62. Схема получения пленки методом раздувки: 1-экструдер;

2-формующая головка; 3-рукав пленки; 4,6-направляющие ролики; 5-тянущие ролики; 7-барабан с пленкой; 8-канал для подачи сжатого воздуха; 9-канал для подачи расплавленного полимера

При этом способе расплав полимера экструдируется в виде рукава, который затем растягивается сжатым воздухом. Диаметр рукава пленки может достигать 16 м.

Методом вакуумного или пневматического формования перерабатывают листовые термоплаты (оргстекло, полистирол и др.). При вакуумном способе (рис.63) формование осуществляют под воздействием силы, возникающей из-за разрежения внутри формы. Эта сила воздействует на нагретый до высокоэластического состояния лист термопласта, производя формование. Для фиксации полученной формы изделие охлаждают. Для переработки толстых листов вакуумное формование дополняют механическим или пневматическим. Таким методом изготавливают крупногабаритные детали для холодильников, различные ванны и др.

 

Рис.63. Схема вакуумного формования: а-нагрев; б-формование:

1-нагреватель; 2-прижимная рамка; 3-лист термопласта; 4-вакуумная камера; 5-форма

 

Метод штамповки используют для изготовления тонкостенных и крупногабаритных изделий. Формование изделий осуществляется в результате вытяжки, изгиба или сжатия заготовки пуансоном. Заготовки при штамповке нагреваются до высокоэластического состояния. Разновидностью штамповки является вырубка с помощью штампов, оснащенных режущими элементами.

Переработка реактопластов.

Пресс-порошки, волокниты, стекловолокниты перерабатывают в изделия методом прессования, заключающимся в пластической деформации материала при одновременном воздействии на него теплоты и давления с последующей фиксацией формы изделия.

При прессовании материал превращается в расплав, уплотняется, заполняет формующую полость пресс-формы и затвердевает. В процессе уплотнения происходит сближение частиц до такого состояния, что между ними возникают силы межмолекулярного взаимодействия, в результате чего образуется компактное тело, которое затем подвергается объемному сжатию.

Различают прямое (компрессионное), литьевое и штранг-прессование.

Прямое прессование осуществляют в открытых, закрытых и полузакрытых пресс-формах (рис.64). Открытые пресс-формы (рис.64,а) состоят из трех деталей: матрицы 1, пуансона 2 и выталкивателя 4. Эти пресс-формы просты, имеют небольшую массу и стоимость. Их используют для изделий несложной формы из реактопластов, для формовки резины, а также некоторых деталей из слоистых пластмасс. Изделия, отформованные в открытых пресс-формах, имеют невысокую точность размеров. Такие пресс-формы требуют применения предварительно уплотненного материала, например таблетированного.

 

 

Рис.64. Схемы пресс-форм прямого прессования: а-открытая пресс-

форма; б-закрытая; в-полузакрытая: 1-матрица; 2-пуансон;

3-изделие; 4-выталкиватель; 5-избыточный материал

 

Пресс-формы закрытого типа (рис.64,б) имеют загрузочную камеру, и вытекание материала из формующей полости исключено. Пресс-формы требуют точной подгонки пуансона и матрицы с минимальными зазорами, поэтому они быстро изнашиваются. Их используют для изготовления глубоких тонкостенных изделий из трудноформуемых волокнистых или слоистых материалов.

Пресс-формы полузакрытого типа (рис.64,в) имеют большую площадь загрузочной камеры, чем площадь горизонтальной проекции формуемого изделия, что препятствует вытеканию материала из незамкнутой пресс-формы. Кроме того, между пуансоном и матрицей имеется гарантированный зазор для вытекания избытка материала, который значительно меньше, чем при использовании пресс-форм открытого типа. Эти пресс-формы нашли наибольшее распространение.

Литьевое прессование применяется для деталей сложной конфигурации с металлической арматурой и небольшой толщиной стенок. При литьевом прессовании (рис.65) материал пластифицируется в загрузочной камере и по литниковому каналу поступает в формующую часть пресс-формы. Высокая стоимость пресс-форм и повышенный расход материала являются недостатками такого прессования. Для повышения производительности используют многогнездные пресс-формы, автоматические роторные машины и др.

 

 

Рис.65. Схема пресс-формы литьевого прессования: 1-матрица;

2-выталкиватель; 3-изделие; 4-пуансон; 5-загрузочная

камера; 6-пуансон загрузочной камеры

 

Для изготовления профильных изделий из пресс-порошков и асбоволокнита применяют штранг-прессование. Штранг-прессование заключается в выдавливании материала через пресс-форму с открытым входным и выходным отверстиями. Уплотнение материала при этом способе достигается за счет разницы в площадях пуансона и выходного отверстия матрицы, например для реактопластов площадь пуансона в 3.5-5 раз больше площади выходного отверстия матрицы.

Для переработки стеклопластиков в изделия используют следующие методы: контактный, формование с резиновым чехлом, формование с упругим пуансоном или матрицей, пресс-камерный, намотку, протяжку, прокатку, компрессионное прессование и др.

При контактном методе используют стеклоткани и эпоксидные смолы, которые способны отверждаться при нормальной температуре без давления за счет введения специального вещества - отвердителя (полиэтиленполиамина).

Для осуществления контактного метода необходима модель, повторяющая конфигурацию и размеры изделия. С целью предотвращения сцепления стеклопластика с моделью, она покрывается техническим вазелином. Пропитанную смолой стеклоткань укладывают на модель и прокатывают роликом для устранения пустот и неровностей. Число слоев стеклоткани определяется необходимой прочностью изделия.

Метод используют для изготовления крупногабаритных изделий сложной конфигурации при мелкосерийном производстве.

Формование с резиновым чехлом заключается в том, что модель с уложенной на нее пропитанной смолой и подсушенной стеклотканью покрывают тонкой металлической оболочкой и резиновым чехлом, который герметично прижимается к модели. Из полости между чехлом и пакетом стеклоткани откачивают воздух. За счет разности между атмосферным давлением и разрежением осуществляется формование. Давление формования составляет 0.05-0.09 мПа.

При прессовании с упругим пуансоном или матрицей давление распределяется более равномерно, чем при металлическом пуансоне. При этом методе пакет приготовленной стеклоткани укладывают в матрице или на пуансоне, нагревают и под давлением прессуют.

Пресс-камерный способ переработки заключается в том, что в нижнюю часть пресс-формы укладывают пакет стеклоткани, предварительно пропитанный смолой и подсушенный для удобства работы. На стеклопакет насыпают гранулированный пенопласт, сверху которого укладывают еще пакет стеклоткани и все закрывают верхней часть пресс-формы. Под влиянием теплоты пенопласт вспенивается, объем его увеличивается в несколько раз, развивая избыточное давление, которое и формует изделие. Изделие получается с большой точностью, но с внутренней пенопластовой прокладкой.

Схема методанамотки стеклопластиковых изделий показана на рис.66.

Рис.66. Схема намотки стеклопластиковых изделий: 1-бобины

со стекложгутом; 2-ванна со связывающим материалом;

3-отжимные валики; 4-оправка

 

Различают «мокрую» и «сухую» намотку. При мокрой намотке (рис.66) стекложгут, сматываясь с бобины 1, пропитывается в ванне 2 и наматывается на оправку 4. При сухой намотке стеклонаполнитель пропитывается смолой под давление после намотки. Применяются две основные схемы намотки: спиральная и продольно-поперечная. Продольно-поперечная обеспечивает максимальную прочность. Так изготавливают трубы, цистерны, баки, корпуса двигателей для ракет и др.

Методом протяжки изготавливают профильные изделия (трубки, стержни, уголки и др.). Стекложгут или стеклонити сматывают с бобин, пропитывают смолой в ванне, собирают в пучок и протягивают через матрицу. Здесь изделию придается форма и предварительное отверждение. Для более полного отвердения изделие помещают в термокамеру.

Методом прокатки изготавливают плоские и гофрированные листы из стеклопластика. Стеклоткань пропитывают смолой в ванне, затем отжимными валиками удаляют избыток смолы. Пропитанные листы покрывают целлофаном и спрессовывают.

Методы соединения пластмасс. Одним из основным методов неразъемного соединения является сварка. Существуют следующие виды сварки пластмасс: диффузионная, газовая, нагретым инструментом, нагретым присадочным материалом, током высокой частоты, ультразвуковой сваркой, сваркой трением, лазерной сваркой, сваркой с применением инфракрасного излучения. Другим, широко применяющимся методом - является склеивание. Склеивание возможно для разнородных материалов. Например металл-керамика, металл-пластмасса и др.

Защитные покрытия металлов. Покрытия защищают металл от коррозии, придают металлическим изделиям декоративный вид, антифрикционные, теплозащитные и электроизоляционные свойства.

По своей природе покрытия различаются на неметаллические и металлические.

Неметаллические покрытия могут быть лакокрасочными, полимерными, керамическими и оксидными.

Металлические покрытия наносят на деталь гальваническим, термодиффузионным, термомеханическим способами, погружением в расплавленный металл и напылением (металлизацией). Сплошные металлические покрытия надежно защищают металл от коррозии. Однако их сплошность нарушается за счет микропор, царапин, вмятин, сколов. При таких дефектах во влажной атмосфере образуется гальваническая пара и скорость коррозии возрастает.