3 Листовые армированные термопласты, предназначенные для штамповки

Следует особо отметить наполненные термопласты, хотя их производство сопряжено с определенными трудностями при формовании, в первую очередь это ориентирование волокон. Однако применение наполнителя (особенно гранул и порошков) позволяет уменьшить усадку после формования, расширить интервал температур формования, повысить технологические свойства, придать специфицеские свойства, снизить стоимость изделия. Эти преимущества описаны выше на примере АБС-пластиков. В качестве наполнителя в большинстве используются порошки и гранулы, использование волокон в качестве наполнителя считалось невозможным из-за сложности с ориентацией волокон. Однако волокна используются при изготовлении некоторых марок термопластов.

Широкое применение для изготовления формованных изделий находят различные композиционные материалы. В состав композиций вводят различные наполнители. Введение наполнителей дает возможность уменьшить стоимость полимера, сократить его расход, улучшить физико-механические свойства и тем самым расширить области его применения [4].

Свойства наполненных композиций зависят от многих факторов, главными из которых являются: химическая природа исходного полимера и наполнителя, состояние их поверхности, равномерность распределения наполнителя в массе полимера [6].

В качестве наполнителей могут быть использованы дисперсные, волокнистые и другие материалы. Большое распространение получили минеральные наполнители, такие как тальк, мел, каолин. Применение мелкодисперсных минеральных наполнителей в небольшом количестве позволяет улучшить такие свойства, как жесткость, прочность, твердость, хотя при этом теряются пластические свойства материала. Однако практический интерес представляют полимеры с высоким содержанием наполнителя. Так как при использовании большого количества дешевого наполнителя, хоть и идет выигрывание в экономичности, но наблюдается потеря физико-механических свойств [6].

Наполнители вводят либо путем смешения в расплаве полимера, либо непосредственно на стадии синтеза полимера. В последнем случае достигается лучшая равномерность распределения наполнителя и возможность его химического взаимодействия с полимером, что улучшает свойства и перерабатываемость наполненного материала.

Листовые армированные термопласты, предназначенные для штамповки, представляют собой пропитанные термопластичной матрицей волокнистый наполнитель различной природы и формы [6]. В качестве армирующего наполнителя используются стеклянные (СВ), углеродные (УВ) и органические (ОВ). Они могут быть в форме тканей, однонаправленных лент и матов на основе рубленых волокон. Ткани и однонаправленные ленты могут принимать в листе любую схему ориентации и композиционные материалы на их основе обладают высокими физико-механическими свойствами. Однако в настоящее время такие листовые материалы редко применяются для переработки штамповкой. Это объясняется тем, что при температуре переработки штамповкой способность к вытяжке листа определяется деформационными свойствами армирующего наполнителя. Непрерывные нити при растяжении удлиняются незначительно, что приводит к их разрыву при значительном давлении формования и разрушение листа еще на стадии производства. Исключение составляют листы, армированные тканями трикотажного плетения, способные деформироваться во всех направлениях на величину не менее 50-250% своей начальной площади. Наиболее широкое применение в практике штамповки изделий из армированных листовых термопластов находят листовые материалы, армированные стеклянными матами на основе рубленых волокон. В качестве примера можно привести промышленные листовые материалы марок AZDEL, STX, PP-GM. В листовых материалах такого типа волокна имеет длину (1.25-12.0)·10² м и располагаются хаотично в плоскости листа, объемное содержание волокна не превышает 40%. Низкая стоимость, хорошие деформационные и физико-механические свойства этих материалов способствует их широкому распространению в машиностроительных отраслях. Особый интерес проявляется к созданию штампуемых органопластиков на основе арамидных волокон Kevlar-49 и перспективных матриц J-2 и ПЭЭК. Это связано с потребностью в легких, прочных, радиопрозрачных оболочках в авиа-космической промышленности. Предпринимаются попытки создать листовые штампуемые материалы на основе рубленых волокон с длиной от 0.0025 м до 0.152м и по свойствам приближающимся к однонаправленным лентам [6].

Природа наполнителя оказывает существенное влияние на теплофизические свойства материала. Так как, например, введение минерального наполнителя повышает коэффициент температуропроводности и уменьшает температуру нагрева и охлаждения листа. Введение органического волокна в качестве наполнителя приближает суммарную температуропроводность к значению, характерному чистой полимерной матрицы, что увеличивает время цикла формования.

Основными технологическими параметрами, определяющими пригодность армированного термопласта к формированию штамповкой, являются интервал температуры формования и степень вытяжки материала.

Армированные листовые термопласты, нагретые до температуры плавления полимерной матрицы, частично теряют монолитность, что в свою очередь ухудшает физико-механические свойства. После деформации такого листа требуется дополнительное давление (0.01 – 4 МПа) в течение 1 – 20 мин для окончательной монолитизации материала и достижение требуемых физико-механических свойств. Дополнительная монолитизация особенно важна для термопластов, армированных матами на основе рубленых волокон. Деформация с вытяжкой таких материалов идет за счет растяжения хаотичной структуры армирующего наполнителя, что приводит к значительной потере монолитности материала. Поэтому требуется высокая температура, давление и значительное время цикла для повторной монолитизации [6].

Штамповка листовых термопластов, армированных непрерывными нитями или тканями, идет преимущественно за счет выравнивания извитости, напряжения, возникающие при этом в листе малы. Уровень нарушения монолитности в материале очень мал и отсутствует необходимость в повторной монолитизации.

Изделия высокого качества получаются в том случае, когда волокна ориентируются в определенном направлении в соответствии с требуемыми свойствами. Для листовых термопластов армированных непрерывными волокнами перераспределение волокон связанно с увеличением или уменьшением поверхности листа за счет изменения кривизны плоской заготовки.

Понятие монолитности листа заготовки из армированного термопласта предполагает сплошность системы компонентов, отсутствие нарушения связи на границе раздела фаз при деформировании компаунда.

Особенностью листовой заготовки на основе термопласта является то, что степень вытяжки заранее известна и деформирование листа не доводится до разрушения армирующего волокна, а прекращается тогда когда полностью или частично исчерпывается заложенный на стадии ткачества извитость и волокно выпрямляется.

Относительное удлинение волокнистой структуры, ε_a связанно с двухосной вытяжкой листа δ₁₂ следующим соотношением:

ε_a=( δ₁₂ - 1) ·100% (3.1)

В процессе штамповки волокно и термопластичная матрица деформируется совместно, поэтому для сохранения монолитности листа необходимо, чтобы деформация матрицы ε_м была больше деформации армирующего волокна ε_a. Тогда получаем условие монолитности листовой заготовки по деформационному критерию.

ε_м>( δ₁₂ - 1) ·100% (3.2)

Величину двухосной вытяжки можно определить как произведение степени вытяжки в продольном δ₁ и поперечном δ₂ напряжении листа, т.е. δ₁₂=δ₁·δ_2. Эту же величину можно представить как увеличение площади материала, выраженное через относительное утонение листа:

δ₁₂=t₀/t (3.3)

где: δ₁₂ – двухоосная вытяжка листа: t_o -начальная толщина: t -толщина листа после вытяжки [5].