Технология переработки пластмасс

Технология переработки пластмасс различна в зависимости от того, принадлежат ли формируемые материалы к группе термопластичных или термореактивных.

Основными технологическими параметрами, характеризующими процесс получения изделий из пластмасс, являются температура, давление и продолжительность процесса. Пластмассы нагревают до оптимальных температур, при которых они приобретают необходимую для формования пластичность. Отклонение от оптимальных температур может вызвать деструкцию (разложение макромолекул) или затруднить переработку.

У термопластичных пластмасс пластичность возрастает с увеличением температуры и времени нагрева. Пластичность же термореактивных пластмасс, наоборот, с увеличением выдержки при данной температуре убывает. Это объясняется переходом материала в термостабильное твердое состояние за счет протекания реакции отверждения. Давление в процессе формования перерас­пределяет разогретый материал и придает ему конфигурацию изделия. Продолжительность процесса получения изделия зависит от времени разогревания материала до пластического состояния, времени процесса формо­вания и времени отверждения отформованного изделия.

Существует много методов переработки пластмасс в изделия. Выбор конкретного метода зависит от характера перерабатываемой пластмассы (термореактивная или термопластичная), вязкости пластмассовой композиции, скорости отверждения, поведения составляющих пластмассы, геометрических размеров и конфигурации изде­лия и др. Наиболее часто пластмассы перерабатывают в изделия компрессионным горячим прессованием и литьем под давлением.

 

 

Рис. 11.1. Схема процесса горячего прессования.

 

Компрессионное горячее прессование применяется большей частью для переработки термореактивных пластмасс (фенопластов, амино-пластов, силикопластов и др.) и некоторых термопластичных материалов (винипласт, капрон).

На рисунке 11.1 представлена схема горячего компрессионного прессования, которое выполняется на гидравлических прессах под большим давлением в пределах 10...25 МП а (250 кгс/см²). Холодный или подогретый материал 4 в виде по­рошка, гранул или таблеток загружают в нагретую до температуры 150...200°С пресс-форму. Под действием темпера­туры и давления пуансона 2 пресс-ма­териал доводят до вязкотекучего состо­яния, и он заполняет всю полость пресс-формы, которая через некоторое время, достаточное для отверждения материала, раскрывается, и изделие извлекается выталкивателем 5 без охлаждения пресс-формы.

В состав пресс-материала входят смола, наполнитель, пластификатор, краситель, отвердитель и специальные добавки.

В качестве связующего вещества чаще приме­няют фенолформаль-дегидные или мочевино-меламино-формальдегидные смолы.

Наполнителями в пресс-материалах служат органические (древесная мука, сажа, лигнин) или неорганические вещества (кварцевая мука, молотая слюда).

Смазывающие вещества — стеарин, олеиновая кислота вводятся в пресс-материалы для облегчения из­влечения изделий из пресс-формы.

Основным отвердителем служит уротропин, который при температуре формо­вания разлагается на фенол и аммиак. Последний играет роль катализатора в процессе превращения новолачной смолы в необратимую резольную.

Промышленность выпускает большое количество пресс-материалов в виде пресс-порошков или таблеток с различной композицией и различным назначением. Например, пресс-порошки ма­рок К-12-2, К-18-2 имеют в качестве связующего новолачную фенолформальдегидную смолу и наполнитель — древесную муку. Их применяют для изготовления дета­лей машиностроительной и электротехнической про­мышленности.

 

Литье под давлением осуществляется на специальных литьевых машинах. Этим методом чаще всего перераба­тывают термопласты (полиэтилен, полиамидные смолы, полипропилен, полиметилметакрилат, сополимеры полистирола и др.). Применение этого процесса для термореактивных пластмасс затрудняется тем, что они находятся в вязкотекучем состоянии в очень малом интервале по времени. При литье под давлением (рис. 11.2) порошкообразный или гранулированный материал 7 загружают в рабочий цилиндр 1

 

 

 

Рис. 11.2. Схема процесса литья под давлением.

 

Движением поршня 2 перемещяют материал в нижнюю обогреваемую часть рабочего цилиндра 1 и его уплотняют.

Находясь в рабочем цилиндре 1, пресс-материал 7 нагревается систе-мой электронагрева 5 до вязкотекучего состояния и выдавливается поршнем 2 через сопло по литниковым каналам в предварительно замкнутую пресс- форму 3.

При переработке термопластов этим методом пресс-форма перед извлечением из нее изделия 4 охлаждается.

Метод литья пластмасс под давлением отличается высокой произво-дительностью (до 500 отливок в час) и находит широкое применение в производстве.

 

Порядок выполнения работы

 

1.Определить по справочным данным режим переработки пресс-порош-ка К-18-2 или другой термореактивной пластмассы, ука­занной выше, на основе фенолформальдегидной смолы горячим прессованием (давление, температура, время) и для полиэтилена или другого термопластичного материала, указанного выше, литьем под давлением.

2. Переработать пластмассу (пресс-порошок К-18-2) в изделие методом горячего прессования, фиксируя ре­жим переработки. Процесс прессо-вания осуществляется на ручном гидравлическом прессе с усилием 45 кН (4500 кгс) в специальной пресс-форме с электрообогре­вом при давлении 12...15 МПа (120...150 кгс/см²) и температуре 140..,160°С.

3. Переработать полиэтилен с наполнителем (сажа) или без наполните-ля методом литья под давлением. Процесс осуществить на литьевой установке с электрическим подогревом рабочего цилиндра при давлении 100…150 МПа (1000…1500 кгс/см²), температуре180...200°С.

Содержание протокола исследований

В протокол исследований необходимо включить:

1. Краткую характеристику перерабатываемых материалов методами горячего прессования и литья под давлением.

2. Схемы установок для переработки пластмасс.

3. Эскизы изготавливаемых деталей.

4. В выводах отметить особен­ности переработки термопластичных и термореактивных пластмасс или другого термопластичного материала, указанного выше

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение пластмасс.

2. Дайте определение высокополимерного вещества, смолы, наполните-ля, пластификатора, красителя.

3. Дайте определение чистых и композиционных полимеров.

4. Сформулируйте назначение высокополимерной смолы в пластмассе.

5. Сформулируйте назначение наполнителя в пластмассе.

6. Какие бывают наполнители по происхождению?

7. Сформулируйте назначение пластификатора в пластмассе.

8. Сформулируйте назначение красителя в пластмассе.

9. Какие бывают пластмассы в зависимости от поведения связующего вещества?

10. Что означают термины ”термопластичный” и “термореактивный”?

11. Что означают термины ”термопласты” и “реактопласты”?

12. Какие полимеры относятся к термопластичным?

13. Какие полимеры относятся к термореактивным?

14. Расшифруйте термин и определение “деструкция”.

15. Какие технологии переработки пластмасс Вы знаете?

16. Расскажите технологию переработки пластмасс методом компресси-онного горячего прессования.

17. Расскажите технологию переработки пластмасс методом литья под давлением.

18. В чем преимущество и недостаток технологии переработки пластмасс методом компрессионного горячего прессования?

19. В чем преимущество и недостаток технологии переработки пластмасс методом литья под давлением?

20. При изготовлении каких деталей используют указанные технологии?

Лабораторная работа 12

 

СВАРКА ПЛАСТМАСС

 

Общие сведения

Термопласты (полиэтилен, винипласт, капрон и др.) можно сваривать. При нагревании они переходят сначала в высокопластичное, а затем в вязкотекучее состояние, сравнительно легко сцепляются один с другим и при охлаждении затвердевают, образуя соединение.

Для соединения мягких термопластов (полиэтилен, поливинил-хлоридный пластикат в виде тонких листов) применяют шовную и точечную сварку, а для сварки жестких термопластов (винипласт, полистирол) — сварку с использованием присадочного материала.

Пластмассы сваривают специальной газовой или газоэлект­рической горелкой.

На рисунке 12.1, а показана принципиальная схема газовой горелки ГГП-1-56. Работает горелка следующим образом. Открывают ацетиленовый вентиль, и ацетилен попадает в канал 1. Проходя через инжектор 2, он создает разрежение, и через отверстие 3 подсасывается атмосферный воздух. Ацетилено-воздушная смесь при выходе из сопла сгорает, образуя внутри воздушной камеры 5 пламя 4. Одновременно по каналу 6 подается сжатый воздух, который, попадая в воздушную камеру 5, омывает пламя, нагревается и смешивается с горячими продуктами горения ацетилена. Эта смесь и служит для нагревания свариваемой пластмассы при ее сварке.

Газо­электрическая горелка приведена на рисунке 12.1, б.

Сжатый воздух от баллона или компрессора, пройдя через фильтр 1, поступает в канал 3. В канале 3 воздух нагревается и, выходя из сопла 4, нагревает свариваемую пластмассу и присадочный материал. Нагрев воздуха регулируют реостатом 5, а его расход — вентилем 2

Необходимо по возможности точно устанавливать температуру истекаемых из сопла газов. При низкой тем­пературе нагретого воздуха сварное соединение будет непрочным и легко разрушится. При высокой температуре воздуха, поступающего из горелки, обугливаются кромки сварного соединения, что вызывает разложение пластмассы с выделением едкого газа. Температуру теплоносителя обычно контролируют термопарой.

Чаще всего из всех пластмасс сваривают винипласты. Винипласт переходит в вязкотекучее состояние при температуре 200...220°С. При толщине материала более 2...3 мм применяют У-образную разделку кромок под сварку.

 

 

Рис. 12.1. Схема горелок для сварки термопластов горячими газами

а — газовая горелка ГГП-1-56; б — газоэлектрическая горелка.

 

. Кромки разделки срезают в горячем состоянии. Перед сваркой детали изделия струбцинами, кондукторами и другими приспособлениями фиксируют в требуемом положении. Прихватки при сварке пластмасс не рекомендуются. Сварку начинают с предварительного подо­грева места сварки. При нагреве пластмасса приобретает характерный блеск, и это указывает на ее вязкотекучее состояние. Затем конец присадочного прутка вертикально вдавливают в это место с одновременным подогревом его, как показано на рисунке 12.2.

 

 

 

Рис. 12.2. Схема сварки пласт­масс:

/ — пластмасса, разогретая до вязкотекучего состояния; 2 — пластмасса, сохранившая эла­стичное состояние; 3 — направ­ление сварки.

 

Пруток разогревают по периферии до вязкотекучего состояния, тогда как его стержень (центральная часть) находится в твердом эластичном состоянии, способствуя вдавливанию его и сварке с кромками. При этом кромки и присадочный пруток должны равномерно нагреваться.

Пластмассы легко свариваются во всех пространственных положениях. При практической необходимости сварку проводят в несколько проходов, усиливая тем самым прочностные свойства сварного шва.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить принципиальные схемы и устройства газоэлектрической и газовой горелок для сварки пластмасс.

2. Изучить планировку и устройства сварочного поста (участка) для сварки пластмасс.

3. Выработать навыки по пуску газоэлектрической и газовой горелок для сварки пластмасс.

4. Выработать навыки регулировки температуры теплоносителя в газоэлектрической и газовой горелках для сварки пластмасс.

5. Выработать навыки по сварке различных пластмасс методами шовной и точечной сварок (для мягких термопластов), а также методом использования присадочного материала (для жестких термопластов).

6. Подобрать и установить режим сварки (температуру теплоносителя, диаметр присадочного прутка) пластин из винипласта, выбранных для проведения исследования (жесткий термопласт).

7. Закрепить пластины из винипласта толщиной 2... 4 мм (при необходи-мости предварительно разделать кромки) и сварить прутками из винипласта (жесткий термопласт).

8. Осмотреть сваренный с использованием присадочного материала шов и визуально оценить его качества.

9. Провести исследовательское испытание с разрушением сваренного образеца (после полного его остывания) на разрывной машине.

10. Полученные (после обработки результатов испытаний по разруше-нию сваренного образца на разрывной машине) расчетные результаты сравнить с прочностными параметрами образца из цельного винипласта (до сварки и без сварки), используя справочные и опытные данные.

 

Содержание протокола исследований

 

В протокол исследований необходимо включить:

1. Планировочную схему поста (участка) для сварки пластмасс с указанием всех технических характеристик.

2. Тип и схему используемой свароч­ной горелки и всего комплекту-ющего оборудования рабочего комплекса.

3. Техническую характеристику используемой свароч­ной горелки и всего комплектующего оборудования рабочего комплекса.

4. Технико-технологическую характеристику листового винипласта и полученные результаты исследований по разрушению сваренного образца.

5. Расчетные формулы и проведенные прочностные расчеты.

6. В выводах указать особенности процесса сварки пластмасс с применением присадочного мате­риала.

Контрольные вопросы

1. Какое свойство способствует свариванию термопластов?

2. Чем отличается мягкий термопласт от жесткого термопласта?

3. Охарактеризуйте присадочный материал.

4. Охарактеризуйте шовную и точечную сварки.

5. В чем отличия между газовой и газоэлектрической горелкой?

6. Расскажите о конструктивной схеме и принципе работы газоэлектрической горелки.

7. Расскажите о конструктивной схеме и принципе работы газовой горелки.

8. Насколько ощутимо влияние температурного режима истекания газов из сопел горелок на качество сварного шва?

9. Каковы последствия при низкой температуре истекания газов и нагретого воздуха из сопел горелок на качество сварного шва?

10. Каковы последствия при высокой температуре истекания газов и нагретого воздуха из сопел горелок на качество сварного шва?

11. Каким образом контролируют температуру теплоносителя в процес-се проведения экспериментальных работ?

12. Опишите технологию подготовки по пуску газоэлектрической и газовой горелки для сварки пластмасс.

13. С какой целью применяют У-образную разделку кромок под сварку?

14. При какой толщине материала (винипласт) применяют У-образную разделку кромок под сварку?

15. Каким образом на практике в процессе работ по сварке пластмассы определяют вязкотекущее состояние пластмассы?

16. Опишите технологию проведения сварочного процесса при сварке различных пластмасс, и, в частности, мягких и жестких термопластов.

 

 

Лабораторная работа 13

 

СКЛЕИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

 

Общие сведения

 

Склеиванием называется процесс создания неразъемного соединения материалов с помощью клея, который образует между соединяемыми поверхностями тонкую и прочно сцепленную с ними клеевую пленку

Прочность клеевого соединения зависит от адгезии (прилипания, сцепления) клеевой пленки со склеиваемыми материалами и ее когезии, т. е. прочности самой пленки. Увеличению прочности клеевого соединения в значительной степени способствуют создание шероховатости на склеиваемой поверхности материала и тщательное ее обезжиривание. Оптимальная практическая толщина клеевой пленки должна быть в пределах 0,1...0,6 мм

Склеивание синтетическими клеями находит широкое применение в авиации (обшивка панели), в судостроении (конструкция из стеклопластиков), в автомобильной промышленности (фрикционные накладки, обивка кузовов), в ремонтном производстве (заделка трещин, пор, пробоин). Склеивание позволяет соединять металлы и неметаллы в различных сочетаниях.

По сравнению со сваркой и клепкой оно обеспечивает значительное сни­жение массы конструкций при высокой антикоррозийности клеевого шва, дает возможность вести процесс при сравнительно низких температурах, отличается простотой производства и достаточно высокой экономичностью. Недостатки клеевых соединений — невысокая долговечность (из-за старения) и небольшая прочность при неравномерном отрыве.

Клеи состоят из пленкообразующей органической или неорганической основы с заданными адгезионными и когезионными свойствами. Кроме того, в их состав могут входить растворители, создающие определенную вязкость клея, пластификаторы для повышения его пластичности и уменьшения усадки, наполнители для повышения прочности соединения, отвердители и др.

В качестве пленкообразующей основы используют синтетические. смолы или каучуки, а для наполнителей — порошку волокна органического и неорганического происхождения и др. Растворителями служат ацетон, дихлорэтан, бензол и спирты. В качестве пластификаторов применяют глицерин, каучук и некоторые смолы.

Промышленность выпускает клеи холодного или горячего отверждения. Клеи горячего отверждения обеспечивают более высокую прочность и теплостойкость. При нагреве лучше удаляется растворитель и происходит более полное отверждение. Обычно для уда­ления растворителя из клеевой пленки до окончательного нагрева с целью отверждения ее сушат на открытом воздухе при 50...60°С. Способствует прочности клеевого соединения также горячее отверждение под давлением.

Ряд материалов, как, например, органическое стекло, полистирол, склеивают их растворителями или клеями, содержащими склеиваемый материал и его растворитель (дихлорэтан, ацетон и др.).

Широко применяют специальные клеи для склеивания таких материалов, как текстолит, стеклотекстолит, ме­таллов с неметаллами. К ним относятся фенольно-формальдегидные, эпоксидные, фенольно-бутварные, полиуретановые, карбоамидные, резиновые и другие клеи.

В данной лабораторной работе для склеивания материалов используют фенольно-бутварный клей БФ-2. Он представляет собой раствор фенольно-бутварной смолы в спирте и применяется для склеивания пласт­масс, металлов, керамики, древесины. Склеивание материалов этим клеем ведется горячим отверждением.

При клеевом соединении часто применяют соединения деталей внахлестку. Подобное клеевое соединение ис­пользуется и в данной работе (рис. 13.1).

 

 

Рис. 13.1. Клеевое соединение образца внахлестку.

 

Порядок выполнения работы

 

Группа студентов получает для склеивания шесть плоских образцов из листового текстолита размером 115x15x2 мм, клей БФ-2, ацетон, наждачную бумагу, лоскуты ткани, вату, шпатель, линейку, струбцинки, гаечный ключ.

Клеевое соединение сушат и нагревают в термошкафах, а испыта­ния на сдвиг клеевого соединения проводят на разрывной машине.

Склеивание и испытания клеевых соединений рекомендуется проводить вследующей последовательно­сти.

1. Наметить на образ­цах места склеивания.

2. Подготовить на об­разцах места склеивания: зачистить их наждач-ной бумагой, сдуть с них пыль и обезжирить их ацетоном, просушить на воздухе в течение 3... 5 мин.

3. Нанести на зачищенные места образцов первый слой клея (слой наносится движением шпателя в одну сторону, чтобы не образовывались пузырьки воздуха).

4. Провести первую открытую сушку образцов с нанесенным слоем клея в термошкафу при 50...60°С в течение 15 мин.

5. Нанести второй слой клея.

6. Провести вторую сушку при том же режиме; что и первая.

7. Соединить склеиваемые поверхности образцов и зажать их в струб-цинках давлением 0,25...0,3 МПа (2,5...3 кгс/см²).

8. Нагреть склеиваемые образцы вместе со струбцинками в термошка-фу до 150°С и выдержать при этой температуре 5, 15 и 25 мин.

9. Извлечь образцы со струбцинками из термошкафа, охладить их на воздухе до 40°С и раскрепить.

10. Испытать склеенные образцы на сдвиг.

11. Определить предел прочности клеевого соединения на сдвиг по известной классической формуле:

Т =P/F, (13.1)

где Р — разрушающая нагрузка, Н (кгс); F — площадь склеивания, см².

12. Занести полученные данные в протокол испытаний.

13. Построить график изменения предела прочности на сдвиг клеевого соединения в зависимости от продолжительности нагрева при выдержке под давлением.

14. Составить выводы и рекомендации по проделанной исследователь-ской работе, оформить протокол-отчет и представить еге к защите.

 

 

Содержание протокола исследований

 

В протокол исследований необходимо включить:

1. Научное определение склеивания различных материалов.

2. Подробное перечисление известных факторов, влияющих на проч-ность клеевого соединения.

3. Подробное перечисление состава и вида известных клеев.

4. Эскиз клеевого соединения, прошедшее исследование.

5. Протокол испытаний с результатами определенных опытных данных в виде таблиц, удобных для проведения дальнейшего их анализа.

6. График изменения предела прочности на сдвиг клеевого соединения в зависимости от продолжительности нагрева под давлением.

7. В выводах дать анализ изменения предела прочности на сдвиг в зависимости от продолжительности нагрева и определить оптимальный режим нагрева для склеивания текстолита клеем БФ-2.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение термина “склеивание”

2. От чего зависит прочность клеевого соединения?

3. Дайте определение термина “адгезия”

4. Дайте определение термина “когезия”

5. Какая зависимость прочности клеевого соединения от шероховато-сти склеиваемых поверхностей?

6. Какая зависимость прочности клеевого соединения от обезжирен-ности склеиваемых поверхностей?

7. Какая должна быть оптимальная толщина клеевого слоя (пленки)?

8. Расскажите о распространенных натуральных (природных) и синте-тических клеях.

9. Объясните о преимуществах синтетических клеев по сравнению со сваркой, пайкой и клепкой.

10. Перечислите и объясните о недостатках клеевых соединений.

11.Расскажите о характерном типовом составе клеев.

12. Какую цель преследует добавка растворителей в состав клеев и какие химические вещества ими являются?

13. Какую цель преследует добавка пластификаторов в состав клеев и какие химические вещества ими являются?

14. Какую цель преследует добавка наполнителей в состав клеев и какие химические вещества ими являются?

15. Какую цель преследует добавка отвердителей в состав клеев и какие химические вещества ими являются?

16. В чем отличие клея холодного отверждения от клея горячего отверждения?

17. Расскажите о распространенных специальных клеях.

18. Расскажите об изменении предела прочности на сдвиг клеевого соединения в зависимости от продолжительности нагрева под давлением.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Оценочные средства