2.6. Технологии производства изделий из пластмасс
При переработке в изделия термопласты подвергают воздействию теплоты, механического давления, кислорода, воздуха и света. Чем выше температура, тем материал пластичнее и тем легче проходит процесс переработки. Однако под влиянием высоких температур и названых выше факторов в пластмассах происходит разрыв химических связей, окисление, образование новых нежелательных структур, перемещение отдельных участков макромолекул и самих макромолекул относительно друг друга, ориентация макромолекул в различных направлениях.
Основная задача при переработке пластмасс заключается в создании из них изделий с заданной формой с обеспечением сохранения исходных свойств пластмасс или их улучшения при замедлении воздействия отрицательных процессов. Эти цели достигают регулированием температуры, давления, скорости нагрева и охлаждения материала. Кроме того, используют стабилизаторы, увеличивающие стойкость материала к старению, пластификаторы, понижающие вязкость материала и повышающие гибкость молекулярных цепей, а также различные наполнители.
Особенность переработки в изделия термореактивных полимеров состоит в сочетании процессов формования с отверждением, т.е. с химическими реакциями образования сшитой структуры полимера. Неполное отверждение ухудшает свойства материала. Достижение необходимой полноты отверждения даже в присутствии катализаторов и при повышенных температурах требует значительного времени, что увеличивает трудоемкость изготовления изделия. Окончательное отверждение материала может происходить вне формирующей оснастки, так как изделие приобретает устойчивую форму до завершения этого процесса.
При переработке композиционных материалов большое значение имеет адгезия - сцепление связующего с наполнителем за счет взаимопроникновения молекул. Величину адгезии можно повысить путем очистки поверхности наполнителя и сообщения ей химической активности. При плохой адгезии связующего к наполнителю в материале появляются микропоры, которые значительно снижают прочность материала.
В процессе переработки термопластов происходит ориентация макромолекул, причем прочность материала в направлении ориентации возрастает, а в поперечном направлении уменьшается. В случае производства пленок и тонкостенных изделий это явление играет положительную роль, во всех остальных случаях оно вызывает структурную неоднородность и служит причиной возникновения остаточных напряжений.
Для минимизации возникновения структурной неоднородности и дополнительных остаточных напряжений в изделиях из-за различия в скоростях охлаждения, в степени кристаллизации, полноте протекания релаксационных процессов (для термопластов) и степени отверждения (для реактопластов) применяют термическую обработку изделия, формирование структуры при переработке и другие технологические приемы.
Изделия из термопластов наиболее часто производят следующими способами: литье под давлением, центробежное литье, свободное литье, экструзия, раздувка, вакуумное и пневматическое формование, штамповка.
Литье под давлением - наиболее распространенный и высокопроиз-водительный метод получения конструкционных деталей из термопластов.
Процесс осуществляют на литьевых машинах, в которых материал размягчают в цилиндре за счет нагрева и перемешивают его шнеком до вязкотекучего состояния. При поступательном движении шнека материал через сопло под давлением впрыскивается в литьевую форму, где охлаждается и застывает, повторяя конфигурацию формы.
Литьевая форма состоит из неподвижной и подвижной частей. При размыкании формы пуансон с изделием отходит влево, при воздействии выталкивателя изделие падает в приемный лоток. Весь процесс - от подачи гранул материала до транспортировки готового изделия - можно автоматизировать.
Наряду со шнековыми для переработки термопластов применяют поршневые литьевые машины, перемешивание материала в которых осуществляют в меньшей степени. Режимы переработки термопластов подбирают в зависимости от вида материала и конструкции изделия. При переработке термопластов в изделия применяют следующие удельные давления: для полиэтилена 7-20 МПа, капрона - 15-80 МПа, полистирола - 80-150 МПа, на выходе из сопла температура материалов должна быть соответственно 175-260, 200-280 и 150-215°С. Температуру литьевой формы поддерживают при переработке полиэтилена 45-60, капрона - 50-135, полистирола - 25-40°С.
Необходимость высокого давления при этом способе переработки обусловлена тем, что переход материала в зону высокой текучести наступает при сравнительно высокой температуре, когда возможно появление брака. Поэтому термопласты приходится формовать в условиях ограниченной текучести, а недостаток ее компенсировать большим давлением. Кроме того, плотность материала в расплаве мала, а в охлажденном состоянии плотность выше за счет появления кристаллической фазы. Отсюда возможна нежелательная усадка, приводящая к изменению размеров детали. С целью ее устранения под большим давлением стараются подать в форму максимальное количество материала.
Температуру литьевой формы поддерживают на определенном уровне для снижения в детали остаточных напряжений, которые могут быть большими от соприкосновения нагретого материала с чрезмерно холодными стенками формы. При литье под давлением получают изделие массой от нескольких грамм до нескольких кг с толщиной стенки до 10 мм (реже до 15-20 мм).
Большими преимуществами литья под давлением являются: малая трудоемкость изготовления детали, а именно около 2 минут при одногнездной форме, высокая точность изготовления и хорошая чистота поверхности детали; возможность автоматизации процесса.
К недостаткам процесса можно отнести появление в деталях остаточных напряжений и расход материала на литники, необходимые для подвода материала в форму.
Сравнительно реже используют литье под давлением для переработки реактопластов, которые зачастую в результате нарушения технологического режима могут затвердевать в цилиндре, вызывая длительную остановку машины.
При центробежном литье 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 изготовляют толстостенные трубы, втулки, шестерни и заготовки.
При свободном литье разогретый материал отверждают в форме без давления. Способ прост, однако использование его ограничено из-за появления в изделии раковин и других дефектов. С целью устранения дефектов процесс проводят на вибростоле с использованием вакуума, что позволяет уплотнять материал и удалять газы, выделяющиеся при полимеризации. Этот метод применяют для получения изделий и заготовок из органического стекла, а также из капролита массой до нескольких десятков килограм.
Методы центробежного и свободного литья используют иногда для изготовления изделий из эпоксидных и полиэфирных смол холодного отверждения с наполнителями.
Метод экструзии заключается в размягчении материала и непрерывном выдавливании его червячными или дисковыми устройствами в вязкотекучем состоянии через профилирующее отверстие калибрующей насадки экструдера с последующим охлаждением изделия, Таким методом получают трубы, стержни, листы, пленки, изделия, имеющие поперечное сечение в виде различных профилей. Поступающий в бункер материал расплавляют и перемешивают червяком для обеспечения однородности расплава. Метод экструзии характеризуется высокой производительностью и, как метод литья под давлением, является одним из самых распространенных при переработке термопластов (рис.2.6).
Метод раздувки используют для изготовления пустотелых изделий (канистры, бутылки) и пленок. Согласно методу термопласт выдавливают через головку экструдера в виде трубчатой заготовки. К заготовке подводят две полуформы, затем их смыкают. Через горловину изделия подводят сжатый воздух, который раздувает заготовку до необходимой конфигурации. За 1 ч изготовляют 600 бутылок вместимостью 0,5 л.
Метод раздувки является основным для получения пленок из полиэтилена, полипропилена и других материалов, которые не подвергаются термической деструкции при переходе в вязкотекучее состояние. При этом способе расплав полимера экструдируют в виде рукава, который затем растягивают сжатым воздухом. Это наиболее экономичный и производительный способ изготовления пленок. Диаметр рукава пленки может достигать при этом способе 16 м.
Рис. 2.6. Схема экструзии заготовок из пластмасс и основных методов формования изделий из пластмасс: (а -1 - мотор-редуктор, 2 - бункер, 3 -питатель, 4 - шнек, 5 - корпус, обогреваемый электронагревателями или теплоносителями, 6 -решетка, 7 - мундштук,
8 - калибрующая насадкаформование штамповкой) ;(б - формование пневматическое или сжатым воздухом; (в-, вакуум-формование ); (г - 1 - пуансон, 2-прижимное кольцо, 3 - листовая заготовка, 4 -матрица, 5 -специальные каналы, 6 - опорное кольцо, 7 - специальный коллектор
Кроме способа раздувки для изготовления пленок используют способ полива раствора полимера (целлюлоза, полиамиды, поликарбонат и др.) на полированную поверхность, либо способ каландрирования - прокатку пластифицированного полимера (поливинилхлорид) через систему валиков с изменяющимся зазором между ними, либо способ снятия стружки с заготовки широким резцом с последующей калибровкой. Последний способ используют для получения пленки из фторопласта-4, способного разлагаться с выделением фтора при нагреве до момента перехода материала в вязко текучее состояние
Методом вакуумного и пневматического формования перерабатывают листовые термопласты (оргстекло, полистирол и др.). При вакуумном способе формование осуществляют под воздействием силы, возникающей из-за разности между атмосферным давлением воздуха и разрежением внутри формы, Эта сила воздействует на нагретый до высоко-эластичного состояния лист термопласта, производя формование. Для фиксации полученной формы изделие охлаждают. Метод вакуумного формования используют для изготовления изделий из пленок и тонких листов. Для переработки толстых листов вакуумное формование дополняют механическим и пневматическим.
При пневматическом формовании нагретый лист термопласта устанавливают на форме и подвергают воздействию избыточного давления воздухом. Такими методами изготовляют крупногабаритные детали для холодильников, различные ванны и др. (рис.2.6, в ,г).
Метод штамповки используют для изготовления тонкостенных и крупногабаритных изделий. Формование изделий осуществляется в результате вытяжки, изгиба или сжатия заготовок пуансоном. Заготовки обычно нагревают до высокоэластичного состояния. В том случае, когда материал способен к большим вынужденным высокоэластичным деформациям под влиянием большого давления, заготовки не нагревают.
Разновидностью штамповки является вырубка с помощью штампов, оснащенных режущими элементами. Вырубкой изготовляют прокладки, монтажные колодки, заготовки для печатных плат из фольгированных материалов (рис.2.6б.
Пресс-порошки, волокниты, стекловолокниты перерабатывают в изделия методом прессования, заключающемся 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 отверждается. В процессе уплотнения происходит сближение частиц до такого состояния, что между ними возникает силы межмолекулярного взаимодействия, в результате чего образуется компактное тело, которое затем подвергается объемному сжатию.
Основными параметрами процесса прессования являются температура прессования, давление и время выдержки деталей под давлением в пресс-форме. Например, для реактопластов на основе феноло-формальдегидной смолы (пресс-порошки, волокнит, стекловолокнит и др.) температура прессования составляет 140-160°С, давление прессования 25-55 МПа, выдержка при прессовании 1-2,5 мин на 1 мм толщины детали.
Давление прессования и время выдержки на 1мм толщины устанавливают экспериментально для конкретных изделий; температура прессования может быть рассчитана аналитически. Большое давление прессования ограничивает возможные размеры изделия. Необходимость нагрева материала и выдержки его под давлением приводят к повышению трудоемкости изготовления деталей. Средняя продолжительность изготовления одной детали методом прессования составляет 20 мин. Для снижения трудоемкости изготовления применяют таблетирование материала и предварительный его подогрев в термостатах токами высокой частоты или на плитах пресса, что позволяет в 2-3 раза сократить время выдержки под давлением и снизить его на 50%, в также уменьшить износ пресс-форм и улучшить свойства изделия.
Различают прямое (компрессионное), литьевое и штранг-прессование. Прямое прессование осуществляют в открытых, закрытых и полузак-рытых пресс-формах. Открытые пресс-формы состоят из матрицы, пуансона и выталкивателя. Эти пресс-формы просты, имеют небольшую массу и невысокую стоимость. Их используют для изделий несложной формы из реактопластов, для формования резиновых изделий, а также некоторых деталей из слоистых пластмасс. Изделия, отформованные в открытых пресс-формах, имеют невысокую точность размеров по высоте. Пресс-формы требуют применения предварительно уплотненного материала, например, таблетированного, так как объем навески материала часто больше объема открытой полости матрицы. Исключение составляют резиновые смеси, плотность которых близка к плотности изделия.
Пресс-формы закрытого типа имеют загрузочную камеру; при этом вытекание материала из оформляющей полости практически исключено. Пресс-формы требуют точной подгонки пуансона и матрицы. Они дороги и быстро изнашиваются. Их используют для изготовления глубоких тонкостенных изделий из трудно формуемых волокнистых или слоистых материалов.
Пресс-формы полузакрытого типа имеют большую площадь загрузочной камеры, чем площадь горизонтальной проекции формуемого изделия, что препятствует вытеканию материала из незамкнутой 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 применяют для деталей сложной конфигурации с металлической арматурой и небольшой толщиной стенок. При литьевом прессовании материал пластифицируется в загрузочной камере и по литниковому каналу поступает в оформляющую часть пресс-формы. Материал в пластичном состоянии не сдвигает металлическую структуру и легко проникает в узкие полости пресс-формы. Высокая стоимость пресс-форм и повышенный расход материала являются недостатками такого прессования. Для повышения производительности метода прессования порошкообразных и волокнистых пластмасс используют многогнездные пресс-формы, роторные автоматические линии и другие специализированные автоматические установки.
Штранг-прессование применяют для изготовления профильных изделий из пресс-порошков и асбоволокнита. Оно заключается в выдавливании
материала через пресс-форму с открытыми входными и выходными отверстиями или через специальную головку. Метод занимает промежуточное положение между прессованием и экструзией. 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.
Штранг-прессование осуществляют на горизонтальных прессах, поршень которых медленно совершает рабочий ход и быстро возвращается в исходное состояние. Этот метод используют также при переработке фторопластов и для изготовления массивных стержней и толстостенных труб из жесткого поливинилхлорида.
Прессованием на многоэтажных прессах получают листовые материалы - текстолит, асботекстолит, стеклотекстолит, гетинакс, древесно-слоистые пластики.Наполнители в виде хлопчатобумажной, асбестовой, стеклянной тканей, бумаги, древесного шпона пропитывают связующим
(фенолформальдегидная, эпоксидная и другие смолы) и подсушивают, листы наполнителя укладывают между полированными металлическими листами. Под влиянием температуры и давления связующее расплавляется, затем отверждается, образуя из отдельных листов монолитный материал. После выдержки под давлением пакеты охлаждают до температуры 30-40°С и извлекают из пресса.
Для переработки стеклопластиков в изделия используют следующие методы: контактный; формование с резиновым чехлом; формование с упругим пуансоном или матрицей; пресс-камерный; намотка; протяжку; прокатку; компрессионное прессование и др.
При контактном методе используют стеклоткани и полиэфирную или эпоксидную смолы, которые способны отверждаться при нормальной температуре без давления за счет введения специальных веществ -полиэтиленполиамина для эпоксидной смолы, нафтената кобальта и гидроперекиси кумола для полиэфирной смолы. После введения отвердителей «жизнеспособность» связующего, т.е. время до образования сшитой структуры макромолекул, составляет обычно около 4 часов. За это время вся порция приготовленной смолы должна быть переработана.
Для осуществления контактного метода необходима модель, повторяющая конфигурацию и размеры изделия. С целью предотвращения сцепления стеклопластика с моделью последнюю покрывает разделительным слоем, для создания которого используют технический вазелин, пленку, поливиниловый спирт. Пропитанную смолой стеклоткань укладывают на модель и прикатывают роликом для устранения пустот и неровностей. Число слоев стеклоткани определяется необходимой прочностью изделий. При использовании одного слоя стеклоткани мирки ТЖС-0.7 достигается толщина около 1 мм. Для получения товарного вида изделия рекомендуют применять стеклоткань, имеющую более мелкое переплетение. Время отверждения около 48 часов. После отверждения изделие снимают с формы.
Контактный метод прост, не требует высококвалифицированного труда, но является трудоемким. Кроме того, за счет неполного отверждения связующего и небольшого давления изделия имеют в ряде случаев недостаточную прочность.
Метод используют для изготовления крупногабаритных изделий сложной конфигурации при мелкосерийном производстве. Так изготавливают кузова спортивных автомобилей, детали оперения легковых автомобилей, лопатки вентиляторов, мелкие суда, шлюпки, лодки, катера.
При формовании изделий с резиновым чехлом, резиновым пуансоном или матрицей снижается трудоемкость изготовления и повышается качество изделий по сравнению с контактным способом.
Формование с резиновый чехлом заключается в том, что модель с уложенной на нее пропитанной смолой и подсушенной стеклотканью покрывают тонкой металлической оболочкой и резиновым чехлом, который герметически прижимается к модели. Из полости между чехлом и пакетом стеклоткани откачивают воздух. За счет разницы между атмосферным давлением и разрежением осуществляется формование. Давление формования составляет 0,05-0,09 МПа, Нагрев изделия в этом случае производят либо электронагревателями, установленными в стенках формы, либо в термошкафу. Для повышения давления формования до 0,3-2,5 МПа используют автоклав.
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 пуансон, нагревают и под давлением прессуют.
Пресс-камерный способ переработки стеклопластиков при изготовлении крупногабаритной лопатки осевого вентилятора осуществляют на пресс-форме, состоящей из двух половин, которые устанавливают на пресс, обеспечивающий необходимые давление и температуру. В нижнюю часть пресс-формы укладывают пакет стеклоткани, предварительно пропитанной смолой и подсушенной для удобства работы. На стеклопакет насыпают гранулированный пенопласт, сверху которого укладывают еще один пакет стеклоткани. Опускают вторую половину пресс-формы. Имеющиеся в пресс-форме режущие кромки перерезают излишки стеклоткани по периметру изделия. Под влиянием теплоты пенопласт вспенивается, объем его увеличивается в несколько раз, развивается избыточное давление, которое и формирует оболочки лопатки. В результате получают изделие с большой точностью формы, хорошей чистотой поверхности и с внутренним пенопластовым сердечником.
Намотку стеклопластиковых изделий делят на «мокрую» и «сухую». При мокрой намотке стекложгут, сматывают с бобины, пропитывают связующим в ванне и наматывают на оправку. При сухой намотке стеклонаполнитель пропитывают смолой под давлением после намотки. Существуют различные схемы намотки стеклонаполнителя. Наиболее распространенные - спиральная и продольно-поперечная. Спиральную намотку осуществляют при вращении оправки и возвратно-поступательном движении каретки. При продольно-поперечной намотке стекложгут с помощью специальных устройств укладывают на оправку по образующей цилиндра и по кольцу. Продольно-поперечная намотка обеспечивает максимальную прочность изделия. Так изготовляют трубы, цистерны, баки, сопловые раструбы и корпуса двигателей для ракет и др.
Методом протяжки изготовляют профильные изделия (трубки, стержни, уголки и т.д.). Стекложгут или стеклонити сматывают с бобин, пропитывают связующим в ванне, собирают в пучок и протягивают через формующую головку. Здесь изделию придают форму и осуществляют частичное отвердение. Для более полного отвердения изделия помещают в термокамеру.
Методом прокатки производят плоские и гофрированные листы из стеклопластика. Стекломат или стеклоткань пропитывают смолой в ванне, затем отжимными валиками удаляют избыток смолы. Пропитанные листы покрывают целлофаном, спрессовывают и отверждают при пропускании через обогреваемые валики. Схемы получения некоторых изделий из композиционных
материалов приведены на рис.2.7.
Рис.2.7. Схемы получения изделий непрерывного профиля (а)
и штучных(б) изделий из композиционных материалов