Виготовлення виробів з полімерних матеріалів

Зв'язувальні речовини як складові полімерних композитних матеріалів можуть перебувати у рідкому, в'язкорідкому або твердому стані. Перехід лінійних і розгалужених полімерів (тер-мопластів) від твердого до високоеластичного або до в'язкорідкого стану відбувається завдяки нагріванню (детальніше про це див. п. 2.15.1.1). І навпаки, завдяки охолодженню термопласти або вироби з них спочатку переходять від в'язкорідкого до ви­сокоеластичного, а далі до твердого стану при температурах початку в'язкого течіння t_T і склування t_c відповідно. У разі необхідності термопласти можна повторно нагрівати й перероб­ляти у вироби. Заготовки з термопластів піддаються також зва­рюванню й обробці різанням.

Для тверднення термореактивної зв'язувальної речовини не потрібне охолодження; тут процес супроводжується хімічними реакціями з утворенням просторової молекулярної структури. Реактопласти з такою структурою незворотно втрачають здат­ність переходити у неплавкі й нерозчинні речовини. У твердо­му стані їх можна обробляти різанням.

Фізичний стан зв'язувальної речовини, вигляд зміцнювально­го матеріалу (порошок, волокно, тканина) та деякі інші факто­ри впливають на вибір того чи іншого способу формоутворення деталей. Переважно ці способи визначаються невеликою кіль­кістю операцій, низькою трудо- й енергоємкістю та незначними відходами.

8.1. Виготовлення деталей на основі рідких полімерів

Часто для виготовлення деталей з полімерних компо­зитних матеріалів як зв'язувальну речовину використовують

смоли, які перебувають у рідкому стані при кімнатній тем­пературі. До найефективніших з них належать поліефірні та епоксидні смоли. Наповнювачами служать переважно скля­ні, а також вуглецеві, борні й органічні волокна та тканини на їх основі. Поліефірні й епоксидні смоли мають добру змо­чувальну здатність і високу адгезію до наповнювачів. Вони тверднуть без тиску або під невисоким тиском при кімнатній температурі під дією затверджувачів й пришвидшувачів про­цесу.

Основними способами виготовлення деталей зі склопласти­ків є вільне лиття, контактне формування, вихрове напилення, автоклавне формування, намотування і відцентрове лиття.

Вільним литтям виробляють деталі простої конфігурації, заливаючи заздалегідь приготовлену з потрібних компонентів полімерну суміш у холодну або гарячу форму, де ця суміш тверд­не без прикладення тиску. Полімерна суміш складається з по-ліефірної або епоксидної смоли, затверджувача, наповнювача, іноді пришвидшувача тверднення та барвника. Маса деталі об­межується декількома десятками кілограмів. Ливарні форми виготовляють зі сталі, сплавів кольорових матеріалів, гіпсу або деревини.

Контактним формуванням вручну виробляють деталі з по­лімерних композитних матеріалів у спеціальних формах. Таку форму 1 (рис.8.1) виготовляють з деревини, гіпсу або металу. її робоча поверхня відтворює зовнішню поверхню деталі. На робочу поверхню наносять роздільний шар 2 із полівінілового спирту, нітролаку або целофанової плівки, який запобігає прилипанню смоли до поверхні форми. Відтак пензлем або пульверизатором наносять рідку (найчастіше поліефірну смолу) зі затверджувачем і на цей шар накладають наповнювач — склотканину 3. Щоб забезпечити надійне просочування тканини смолою, щіль­не прилягання до поверхні форми й усунути бульбашки повіт­ря, кожен накладений шар обкочують роликом 4. Кількість шарів залежить від необхідної товщини стінки деталі. Смола твердне на повітрі при кімнатній температурі, надійно з'єдную­чись зі склотканиною. Після затвердіння деталь виймають з форми. Процес можна пришвидшити, застосовуючи просочену тканину.

Спосіб контактного формування характеризується простотою устаткування й не вимагає високої кваліфікації персоналу, проте він низькопродуктивний й не забезпечує достатньо високої якості виробів. Контактно формують такі великогабаритні деталі як корпуси байдарок й хімічних апаратів, кузови спортивних авто­мобілів і ін. в умовах одиничного й дрібносерійного виробництв.

Під час вихрового напилення машинним способом наносять одночасно на поверхню форми смолу, затверджувач і подрібне­не волокно, після чого обкочують отриманий шар гумовим роли­ком. Довжина подрібнених скловолокон становить 90...100 мм, а його об'ємна частка в напиленому шарі не перевищує ЗО %. Цей спосіб продуктивніший порівняно з контактним формуван­ням і використовується у серійному виробництві великогабари­тних деталей.

Автоклавне формування розпочинається з нанесення на по­верхню форми полімерної суміші одним з розглянутих вище способів і завершується у герметично закритому резервуарі (ав­токлаві), куди поміщають разом з формою заформовану деталь. Вільну поверхню суміші накривають гумовим чохлом, який під дією створеного в автоклаві тиску забезпечує щільне приляган­ня майбутньої деталі до поверхні форми. Попередньо краї чох­ла герметично затискають на формі, а з-під чохла вакуумним насосом відсмоктують повітря. Тиск (1...2 МПа) в автоклаві ство­рює нагріте повітря, гаряча вода або пара. Після тверднення зв'язувальної речовини форму висувають з автоклава й відокрем­люють від неї деталь. Автоклавним формуванням виготовля­ють у серійному виробництві великогабаритні й складні деталі високої якості.

Намотування полягає у тому, що на оправку неперервно укладають просочений зв'язкою наповнювач у вигляді волокна або стрічки. Оправка З (рис. 8.2) обертається навколо своєї осі, а котушка 1 з наповнювачем 2 переміщається у зворотно-посту­пальному напрямку. Сформовану деталь разом з оправкою по­міщають у камеру тверднення. По закінченні технологічного циклу оправку виймають.

Залежно від напрямку укладання наповнювача на оправку розрізняють спіральне і поздовжньо-поперечне намотування. Під час спірального намотування (рис. 8.2) наповнювач укладають на поверхню оправки.по спіралі, а під час поздовжньо-попереч­ного — по твірній циліндра і по спіралі. Намотування — один з найдосконаліших способів створення порожнистої високоміц­ної деталі з полімерного композитного матеріалу. В автомобіле­будуванні цим способом виготовляють, наприклад, карданний вал автомобіля „Toyota", в авіабудуванні — секції трансмісій­ного вала, лопаті та носову його частину, балони високого тис­ку тощо.

Відцентровим литтям у обертальній формі виготовляють вироби великих розмірів, що мають вигляд тіл обертання. В порожнину форми завантажують рідку зв'язувальну речови­ну та подрібнене скловолокно. Під дією відцентрових сил полі­мерна суміш притискається до стінки форми й ущільнюється. Після завершення процесу форму зупиняють і виймають виріб.