Классификация и технологические свойства пластмасс

Пластическими массами (пластмассами) называют мате­риалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения. Высокомолекулярные соединения состоят из большого числа низкомолекулярных соединений (моно­меров), связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами. Макро­молекулы полимеров могут иметь линейную форму, разветвленную и пространственную (сшитую).

Рис. 101. Схемы строения молекул полимеров:

а – линейная; б – разветвленная; в – пространственная

Линейные макромолекулы (рис. 101, а) имеют форму цепей, в ко­торых атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдель­ные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной сте­пени определяющими свойства полимера. Наличие в цепях разветв­лений (рис. 101 б) приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера. Про­странственные структуры (рис. 101, в) получаются в результате химической связи (сшивки) отдельных цепей полимеров либо в ре­зультате поликонденсации или полимеризации. Большое значение для свойств «сшитого» полимера имеет частота поперечных связей. Если эти связи располагаются сравнительно редко, то образуется полимер с сетчатой структурой.

Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы. Полимеры с сетчатой структурой нерастворимы, они лишь набухают. При частом расположении связей полимер становится практически нерастворимым и неплавким.

Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макро­молекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным располо­жением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным располо­жением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое повышается их прочность и теплостой­кость. Значительное влияние на полимеры оказывает воздействие на них теплоты. В зависимости от поведения при повышенных тем­пературах полимеры подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты при нагреве размягчаются и расплавляются, затем вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты имеют линейную или разветвленную структуру молекул.

Реактопласты при нагреве превращаются в вязкотекучее состоя­ние и в результате химической реакции переходят в твердое, необра­тимое состояние. Отвержденные реактопласты нельзя повторным нагревом вновь перевести в вязкотекучее состояние. В процессе полимеризации под действием указанных факторов линейная струк­тура полимера превращается в пространственную. Отдельные виды термореактивных смол (эпоксидные, полиэфирные) при введении в них отвердителя отверждаются при нормальной температуре.

Поведение термопластов и реактопластов под действием теплоты имеет решающее значение при технологическом процессе переработки пластмасс.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразде­ляются на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, поли­стирол и т. д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет опреде­ленную функциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом определяют физико-механические и техноло­гические свойства пластмассы. Содержание связующего в пласт­массах достигает 30 – 70 %.

Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят следующие составляющие: 1) наполнители различного происхож­дения для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции; органиче­ские наполнители — древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон и др.; неоргани­ческие – графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.; 2) пластификаторы (дибутилфталат, кастровое масло и др.), увели­чивающие эластичность, текучесть, гибкость и уменьшающие хруп­кость пластмасс; 3) смазочные вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), увеличивающие текучесть, уменьшающие трение между ча­стицами композиций, устраняющие прилипание к формообразу­ющим поверхностям пресс-форм, 4) катализаторы (известь, магнезия и др.), ускоряющие процесс отверждения материала; 5) красители (сурик, нигрозин и др.), придающие нужный цвет изготовляемым деталям.

При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро - и пенопластов) в полимеры вводят газообразователи – вещества, ко­торые различаются при нагреве с выделением газообразных продуктов.

Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей механической прочности подразделяют на три основные группы: низкой, средней и высокой прочности.

Основными технологическими свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отверждения (реактопластов) и термо­стабильность (термопластов).

Текучесть – способность материалов заполнять форму при опре­деленных температуре и давлении – зависит от вида и содержания в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазочного материала, а также от конструктивных особенностей пресс-формы. Для ненаполненных термопластов за показатель текучести прини­мают «индекс расплава» – количество материала, выдавливаемого через сопло диаметром 2,095 мм при определенных температуре и давлении в единицу времени.

Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьше­ние размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы. В абсолютной величине усадки наибольшую долю составляет раз­ность между температурными коэффициентами материала пресс-формы и материала детали. Величина усадки зависит от физико-химических свойств связующей смолы, количества и природы на­полнителя, содержания в нем влаги и летучих веществ, температур­ного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо учитывать при проектировании пресс-формы.

Продолжительность процесса перехода реактопластов из высо­коэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации определяет скорость отверждения. Скорость отверж­дения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореак­тивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отверж­дения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под давлением и снижает производительность процесса. Повышенная скорость отверждения может вызвать преждевременную полимери­зацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные уча­стки формующей полости не будут заполнены пресс-материалом.

Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложе­ния. Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста. Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, пре­дотвращающие возможность разложения их в процессе переработки: например, увеличение сечения литников, диаметра цилиндра и т. д.

зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наи­более целесообразно разбить на следующие основные группы: пере­работка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под дав­лением, выдавливанием и др.); переработка в высокоэластичном состоянии (пневмо - и вакуум-формовкой, штамповкой и др.); полу­чение деталей из жидких пластмасс различными способами формо­образования; переработка в твердом состоянии разделительной штамповкой и обработкой резанием; получение неразъемных соеди­нений сваркой, склеиванием и др.; различные способы переработки (спекание, напыление и др.).

Способы формообразования деталей в вязкотекучем состоянии

Большинство пластмасс перерабатывают в детали в вязко-текучем состоянии способами прессования, литья, выдавливания. Прямое (компрессионное) прессование — один из основных спо­собов переработки реактопластов в детали, В полость матрицы пресс-формы 3 (рис. 102, а) загружают предварительно таблетизи-рованный или порошкообразный материал 2. При замыкании пресс-формы под действием усилия пресса пуансон / создает давление на прессуемый материал (рис. 102, б). Под действием этого давления и теплоты от нагретой пресс-формы материал размягчается и запол­няет формообразующую полость пресс-формы. После определенной выдержки, необходимой для отверждения материала, пресс-форма раскрывается и с помощью выталкивателя 5 из нее извлекается готовая деталь 4 (рис. 102, б).

Рис. 102. Схема прямого прессования Рис. 103. Схема литьевого прессования

Процесс отверждения сопровождается выделением летучих со­ставляющих композиционного материала и паров влаги. Для уда­ления газов в процессе прессования выполняют так называемую подпрессовку, заключающуюся в переключении гидропресса после определенной выдержки на обратный ход, в подъеме пуансона на 5 – 10 мм и выдержке его в таком положении в течение 2 – 3 с. После этого пресс-форма снова смыкается. При прессовании крупных толстостенных деталей из материалов с повышенной влажностью подпрессовку проводят дважды.

Температура и давление прессования зависят от вида перера­батываемого материала, формы и размеров изготовляемой детали. Время выдержки под прессом зависит от скорости отверждения и толщины прессуемой детали. Для большинства реактопластов время выдержки выбирают из расчета 0,5—2 мин на 1 мм толщины стенки. Технологическое время может быть сокращено вследствие предварительного подогрева материала в специальных шкафах. Давление зависит от текучести пресс-материала, скорости отвержде­ния, толщины прессуемых деталей и других факторов.

Нагрев пресс-формы осуществляют обычно электронагревателем. Рабочую температуру в процессе прессования поддерживают постоян­ной с помощью автоматически действующих приборов. Для загрузки в полость пресс-формы определенного количества пресс-материала используют объемную дозировку или дозировку по массе. При­меняют также поштучную дозировку (загружают определенное число таблеток). Прессуют на гидравлических прессах. При вы­пуске большого числа деталей используют прессы, работающие по автоматическому циклу.

Прямым прессованием получают детали средней сложности и небольших размеров из термореактивных композиционных материа­лов с порошкообразным и волокнистым наполнителями.

Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуе­мый материал загружают не в полость пресс-формы, а в специаль­ную загрузочную камеру 2 (рис. 103). Под действием теплоты от пресс-формы прессуемый материал переходит в вязкотекучее со­стояние и под давлением со стороны пуансона / выжимается из загрузочной камеры 2 в полости матрицы пресс-формы через спе­циальное отверстие в литниковой плите 3. После отверждения ма­териала пресс-форму разъединяют и готовые детали 4 извлекают из матрицы 5.

Литьевое прессование позволяет получать детали сложной формы, с глубокими отверстиями, в том числе резьбовыми. Возможна уста­новка сложной и тонкой арматуры. В процессе перетекания через литниковое отверстие пресс-материал прогревается одинаково, что обеспечивает более равномерную структуру прессуемой детали. При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках, так как образующиеся газы могут выходить в зазор между литниковой плитой и матрицей.

Недостатком литьевого прессования является повышенный расход пресс-материала, так как в загрузочной камере и литниковых ка­налах остается часть отвержденного и неиспользуемого в дальней­шем пресс-материала. Кроме того, пресс-формы для литьевого прес­сования сложнее по конструкции и дороже пресс-форм для прямого прессования.

Для прессования деталей применяют одно- и многогнездные пресс-формы. Многогнездные пресс-формы используют для полу­чения деталей простой формы и небольших размеров.

Форма и размеры прессуемых деталей зависят от формообразу­ющих элементов пресс-формы, к которым предъявляют высокие тре­бования по точности и качеству поверхности. Формообразующие детали пресс-форм изготовляют из высоколегированных или инстру­ментальных сталей с последующей закалкой до высокой твердости. Для повышения износостойкости и улучшения внешнего вида прес­суемых деталей формообразующие элементы пресс-форм полируют и хромируют.

Листы, и плиты из термореактивных композиционных материалов прессуют пакетами на прессах. Заготовки материала (из хлопчато­бумажной ткани, стеклоткани и т. д.) пропитывают смолой и укла­дывают между горячими плитами прессов. Число уложенных слоев ткани определяет толщину листов и плит. Размеры прессуемых деталей ограничиваются мощностью гидравлического пресса. Трубы, прутки круглого и фасонного сечения получают прессованием реакто­пластов через калиброванное отверстие пресс-формы. Процесс прес­сования характеризуется низкой производительностью и сложно­стями технологического характера.

Литье под давлением — высокопроизводительный и эффектив­ный способ массового производства деталей из термопластов. Пере­рабатываемый материал из загрузочного бункера 8 (рис. 104) подается дозатором 9 в рабочий цилиндр 6 с электронагревателем 4. При дви­жении поршня 7 определенная доза материала поступает в зону обогрева, а уже расплавленный материал через сопло 3 и литниковый канал — в полость пресс-формы /, в которой формируется изготов­ляемая деталь 2. В рабочем (нагревательном) цилиндре на пути потока расплава установлен рассекатель 5, который заставляет расплав протекать тонким слоем у стенок цилиндра. Это ускоряег прогрев и обеспечивает более равномерную температуру расплава. При движении поршня в исходное положение с помощью дозатора 9 очередная порция материала попадает в рабочий цилиндр. Для предотвращения перегрева выше 50—70 °С в процессе литья пресс-форма охлаждается проточной водой. После охлаждения материала пресс-форма размыкается, и готовая деталь с помощью выталкива­телей извлекается из нее.

Рис. 104. Схема литья под давлением.

Литьем под давлением получают детали сложной конфигурации с различными толщинами стенок, ребрами жесткости, с резьбами и т. д. Применяют литейные машины, позволяющие механизировать и автоматизировать процесс получения деталей. Производительность процесса литья в 20 – 40 раз выше производительности прессования, поэтому литье под давлением является одним из основных способов переработки пластических масс в детали. Качество отливаемых деталей зависит от температур пресс-формы и расплава, давления прессования, продолжительности выдержки под давлением и т. д.

Центробежное литье применяют для получения крупногабарит­ных и толстостенных деталей из термопластов (кольца, шкивы, зубчатые колеса и т. п.). Центробежные силы плотно прижимают залитый материал к внутренней поверхности формы. После охлажде­ния готовую деталь извлекают из формы и заливают новую порцию расплавленного материала.

Выдавливание (или экструзия) отличается от других способов переработки термопластов непрерывностью, высокой производитель­ностью процесса и возможностью получения на одном и том же оборудовании большого многообразия деталей. Выдавливание осу­ществляют на специальных червячных машинах, Перерабатываемый материал в виде порошка или гранул из бункера 1 (рис. 105, а) попадает в рабочий цилиндр 3, где захватывается вращающимся червяком 2, Червяк продвигает материал, перемешивает и уплот­няет его. В результате передачи теплоты от нагревательного эле­мента 4 и выделения теплоты при трении частиц материала друг о друга и о стенки цилиндра перерабатываемый материал переходит в зязкотекучее состояние и непрерывно выдавливается через калиброванное отверстие головки 6. Расплавленный материал проходит через радиальные канавки оправки 5. Оправку применяют для получения отверстия при выдавливании труб.

Рис. 105. Непрерывное выдавливание:

а – схема установки; б – профили получаемых деталей

Непрерывным выдавливанием можно получить детали различ­ного профиля (рис. 105, б). При получении пленок из термопластов (полиэтилена, полипропилена и др.) используют метод раздува. Расплавленный материал продавливают через кольцевую щель насадной головки и получают заготовку в виде труб, которую сжа­тым воздухом раздувают до требуемого диаметра. После охлажде­ния пленку подают на намоточное приспособление и сматывают в рулон. Способ раздува позволяет получить пленку толщиной до 40 мкм. Для получения листового материала используют щелевые головки шириной до 1600 мм. Выходящее из щелевого отверстия полотно проходит через валки гладильного и тянущего устройств. Здесь же происходит предварительное охлаждение листа, а на ро­ликовых конвейерах — окончательное охлаждение. Готовую про­дукцию сматывают в рулоны или разрезают на листы определенных размеров с помощью специальных ножниц.