3. Способы получения изделий из пластмасс

Прокатка – получение листов и лент из термопластов на многовалковых машинах (каландрах) при пропускании исходных материалов между нагретыми валками.

Штамповка заключается в придании листу из термопласта соответствующей формы в штампах или специальных приспособлениях.

Экструзионные формообразования – выдавливание термопласта, разогретого до вязкотекучего состояния, через сменный мундштук экструзионной шнековой ма­шины.

Литье под давлением – процесс получения тонкостен­ных изделий высокой точности.

Горячее прессование применяют для изготовления из­делий из термореактивных пластмасс и некоторых видов термопластиков, обладающих ограниченной раствори­мостью.

Литьевое прессование применяют для получения тон­костенных сложных изделий повышенной точности, а так­же армированных деталей.

Тема 12. Композиционные материалы. Резиновые, силикатные и древесные материалы.

Вопросы:

1. Композиционные материалы, их состав.

2. Общие сведения о резине.

3. Виды резин и применение резиновых изделий в машиностроении.

4. Силикатные материалы.

5. Строение древесины, ее физические и механические свойства.

6. Материалы из древесины.

7. Применение древесины.

1. Материалы сложного состава, образующиеся путем сочетания различных фаз с границей раздела между ними, называются композиционными.

Композиционные материалы состоят из матрицы и армирующего компонента. Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей (связующим). Компоненты, распределенные в матрице в форме зерен, волокон или пластин, называются дисперсной арматурой (фиброй или армирующим компонентом).

По вещественной природе матрицы подразделяются на:

• полимерные;

• металлические;

• неорганические;

• комбинированные (полиматричные).

Матрица обеспечивает форму и сплошность материала, перераспределяет нагрузки по его объему, защищает армирующие компоненты от механических и коррозионных воздействий. Вещественная природа матрицы предопределяет термическую и коррозионную стойкость композиционного материала (далее КМ).

Армирующие компоненты классифицируют в зависимости от:

• геометрических признаков;

• порядка их расположения в матрице.

Армирующие компоненты вводят в матрицу с целью улучшения конструкционных свойств композиционного материала (КМ). По порядку расположения армирующих компонентов в матрице (макроструктуре) КМ бывают:

• дисперсно-упрочненные (изотропные);

• дисперсно-армированные (анизотропные).

При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также от равномерности распределения в матрице. Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа Аl₂О₃, SiO2, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях.

2. Резиной называют продукты химической переработки каучука и вулканизирующих веществ (сера, натрий), осуществляемой при помощи термической обработки (горячая вулканизация) или без неё (холодная вулканизация).

Основные свойства резины:

Эластичность, вибростойкость, повышенная химическая стойкость, газо- и водонепроницаемость, электроизоляционность.

Резиновые смеси составляют на основе каучука, массовое содержание которого в различных изделиях колеблется от 5 до 95 % смеси содержат также мягчители, наполнители, вулканизирующн вещества, противостарители, красители.

Исходные материалы для резиновых изделий. Каучук бываем натуральный и синтетический. Натуральный каучук получают из млечного сока каучукогенных растений. Синтетический каучук – вещество, по свойствам близкое к натуральному. Его получают путем синтеза органических веществ. Производство син­тетического каучука складывается из двух основных процессом: получения каучукогенов (бутадиена, стирола, хлоропрена, акрилонитрила, изобутилена и др.) и их полимеризации в каучукоподобный продукт. Сырьем для получения каучукогенов являются нефтепро­дукты, природный газ, ацетилен, древесина и др. При полимеризации каучукогены из низкомолекулярных веществ превращаются и высокомолекулярные соединения с типичными для натурального ка­учука физико-механическими и технологическими свойствами. Про­изводство синтетического каучука впервые в мире разработано рус­ским химиком С. В. Лебедевым.

Мягчители (стеарин, олеиновая кислота) повышают пластичности сырой резины и мягкость резиновых изделий.

Наполнители повышают твердость и прочность резиновых изделий. К ним относятся сажа, оксид цинка, мел, каолин и др., а также рукавные и кордовые ткани и волокна (хлопчатобумажные, вискоз­ные, капроновые, нейлоновые), применяется также корд из стальных проволочек.

При вулканизации линейные макромолекулы каучука взаимодействуют с вулканизатором, в результате обра­зуется трехмерная (сшитая) сетка и каучук превра­щается в резину.

Основным вулканизирующим веществом для СК общего назна­чения, бутадиен-нитрильных и других каучуков является сера. Для вулканизации отформованные заготовки из сырой резины нагревают до температуры 140…180 °С; формование может совмещаться с нагревом.

Ускорители вулканизации (каптакс, тиурам и др.) вместе с окси­дом цинка не только сокращают время вулканизации, но и обеспечи­вают возможность вулканизации при комнатной температуре.

Для изготовления мягкой резины (автомобильные камеры, мячи) и каучук вводят 1…3 % серы; при массовом содержании серы 4…7 % получается твердая резина. Для вулканизации кремнийорганических СК применяют пероксиды бензоила, для уретановых – изоцианиды.

Противостарители (парафин, вазелин и др.) замедляют процесс окисления каучука, повышают устойчивость и сроки службы рези­новых изделий.

Изготовление резиновых изделий. Процесс складывается из при­готовления резиновых смесей, вулканизации и отделки изделий.

Смешивание компонентов обеспечивает равномерное распределе­ние в каучуке всех составных частей, оно производится на вальцах или в закрытых смесителях. Полученная сырая резина представляет собой однородную пластичную массу, которой легко придается нуж­ная форма.

Полученные полуфабрикаты подвергают вулканизации и от­делке. Плотность различных сортов резины от 0,9 до 2 г/см³, предел прочности при растяжении от 3 до 60 МПа, относительное удлинение 200…800 %. Следует подчеркнуть, что для каучуков и резины (а также для некоторых видов пластмасс и других материалов) характерна релаксация (ослабление) напряжений, которая возрастает с увеличением силы и скорости деформации и с повышением температуры.

3. Виды резин.

Резины подразделяются на следующие основные группы:

1) резины общего назначения (температуры эксплуатации от –50 до +150 °С) – могут работать в воде, воздухе, слабых растворах кислот и щелочей (шины, ремни, рукава, транспортные ленты, изоляция электрокабелей);

2)специальные резины:

а) теплостойкие резины – выдерживают температуру до 400°С;

б) морозостойкие резины – выдерживают температуру до –150 °С;

в) масло- и бензостойкие резины – работают в среде массе, топлива, бензина;

г) электротехнические резины – бывают диэлектрические и электропроводящие (состоят до 70 % из сажи и графита);

д) магнитные;

е) фрикционные и др.

В машиностроении резиновые изделия применяют для движущихся устройств (шин, приводных ремней, транспортных лент), в магистралях для транспортирования жидкостей, газов (напорные и всасывающие рукава, соединительные шланги, трубки), в каче­стве опор, буферов, изоляции, уплотнителей (сальники, манжеты, прокладочные пластины, кольца) и др.

4. Силикатными называют искусственные каменные материалы и изделия, получаемые в результате формования и последующей тепловлажностной обработки в автоклавах смесей, состоящих из известково-кремнеземистых вяжущих, заполнителей (кварцевого песка, шлака и др.) и воды. Такие композиции, хотя медленно, образуют камень и при твердении на воздухе, но получаемый материал имеет невысокую прочность (1...2 МПа). В этом случае взаимодействие Са(ОН)г извести и SiQ₂ песка протекает очень медленно и практически не сказывается на прочности камня. Однако, как было установлено в 1880 г. немецким ученым В. Михаэлисом, твердение уплотненной смеси извести с кварцевым песком резко ускоряется, если эту смесь подвергнуть тепловлажностной обработке в автоклаве, где температура насыщенного пара достигает 170°С и более, а давление – 0,8 МПа и выше. В этих условиях SiO₂ песка приобретает химическую активность и между ним и известью происходит энергичное химическое взаимодействие с образованием гидросиликатов кальция, цементирующих зерна песка в прочный монолит.

5. Древесина используется в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности как в натуральном, так и переработанном виде.

Преимущества древесины: малый удельный вес; высокая удельная прочность; способность поглощать удары вследствие упругости; простота обработки; высокие тепло,- звуко, - и электроизоляционные свойства; хорошая химическая стойкость к ряду кислот, солей, щелочей.

Недостатки древесины: способность к быстрому загниванию; гигроскопичность; низкая огнестойкость; низкий модуль упругости; неоднородность строения.

Древесина имеет слоисто-волокнистое строение: кора, луб, заболонь, сердцевина.

Рис.11. Разрез ствола дере­ва

Физико – механические свойства древесных материалов:

1) гигроскопичность древесины – с увеличением влажности резко снижается прочность, но повышается упругость;

2) теплопроводность – с повышением влажности она возрастает, т.к. поры заполняются влагой, которая более теплопроводна, чем волокно;

3) электропроводность древесины низкая, поэтому она может быть использована в качестве электроизоляционного материала; с повышением влажности, плотности и температуры древесины увеличивается;

4) твёрдость – в торцевом направлении больше твёрдости боковой поверхности в 1,5…2 раза; по степени твёрдости породы дерева располагаются в возрастающем порядке: липа, пихта, сосна, берёза, лиственница, дуб, ясень. Твёрдость зависит от плотности: чем плотнее древесина, тем она твёрже; влажность снижает твёрдость и сопротивление истиранию.

6 . Пиломатериалы (брус, доска, горбыль и др.) из хвойных пород применяют наиболее широко, поскольку они обладают высокой прочностью, меньше подвержены загниванию (особенно сосна).

Шпон – тонкий слой древесины, полученный на спе­циальных станках и используемый как полуфабрикат для изготовления слоистых древесных материалов (фанеры, древесных пластиков) или как материал для отделочных работ. Толщина листов шпона от 0,55 до 1,5 мм.

Фанера – листовой материал, получаемый путем склейки слоев шпона. Толщина фанеры от 1 до 12 мм, более толстые (25...30 мм) материалы называются пли­тами. Фанеру изготовляют из березового, ольхового, букового и соснового шпона. В качестве склеивающего материала применяют альбуминовый и казеиновый клей. В зависимости от клея и степени водостойкости фанера выпускается следующих марок: ФСР – на фенолформальдегидном клее с повышенной водостой­костью, ФК – на карбамидном и ФБА – на альбумино–казеиновом клеях со средней водостойкостью, ФБ – на белковых клеях с ограниченной водостойкостью.

Прессованную древесину (лигностон) получают при горячем прессовании (130...150°С) брусков, досок и дру­гих заготовок, пропитанных химическим составом (20 %-ным раствором глюкозы и фенолформальдегидной смолой в спирте). Лигностон является заменителем черных и цветных металлов и пластмасс.

Древеснослоистые пластики (гигнофоль и дельта-древесина) представляют собой пакет прессованного березового шпона, пропитанного термо-реактивной смо­лой). Нагрев пакета и прессование проводят при температуре 110...160 °С.

Древесностружечные плиты изготовляют горячим прессованием древесной стружки по связующим (термореактивная смола). Плиты бывают однослойные (ПС–1, ПТ–1), трехслойные (ПС–3, ПТ–3) и облицованные шпо­ном, фанерой, бумагой (ЭС, ЭМ). Древесностружечные плиты обладают хорошими тепло- и звукоизоляцион­ными свойствами.

Древесноволокнистые плиты изготовляют прессова­нием из древесных волокон (размельченной древесины) с применением фенолформальдегидной или мочевино-формальдегидной смолы.

Древесную муку используют в качестве наполнителя при изготовлении изделий из пенопласта и аминопласта.

7. Древесные материалы в сельскохозяйст­венном машиностроении широко используют для изго­товления конструкций и деталей машин. Хвойные пило­материалы применяют для обшивки машин, платформ и площадок, изготовления лопастей мотовил, брусьев транспортных тележек, а также деталей грузовых авто­мобилей, транспортных тележек и т. п. Березу исполь­зуют для изготовления шатунов, рамок решет, планок соломотряса. Дуб применяют для изготовления ответст­венных деталей сельскохозяйственных машин: планок транспортеров, подшипников, тормозных колодок и т.д. Из лиственных деревьев также большое значение имеют бук, клен, граб, вяз.

Прессованная древесина идет для изготовления де­талей машин, работающих при ударных нагрузках (кулачки, сегменты зубчатых передач, подшипники, втулки и т. д.). Вкладыши из древесины по сравнению с бронзовыми имеют вдвое меньший износ.

Высокой прочностью и устойчивостью к ударным нагрузкам обладает армированная фанера, состоящая из листов шпона и металлических листов или из листов шпона и металлической сетки, вклеенной между лис­тами шпона. Армированная фанера хорошо гнется, штампуется, склеивается.

Древесно-слоистые пластики используют как конст­рукционные, электроизоляционные и антифрикционные материалы для изготовления подшипников, зубчатых колес.

Из древесностружечных плит делают полы и борта грузовых машин и прицепов.

Раздел 3. Экономическая эффективность применения конструкционных материалов и методов повышения долговечности изделий

Тема 13. Сравнительные данные стоимости конструкционных материалов и рациональные области их применения