1352

Для производства таких изделий необходима обычная зали­

вочная машина высокого или низкого давления. Пресс-формы.

как правило, изготовляют из силиконового или уретанового

эластомера, позволяющего точнее передавать текстуру дреnссн­

ны и, кро:ме того, облегчающего извлечение изделий из формы. Разделительные смаз·ки, наносимые на внутреннюю поверх­ ность формы, служат одновременно и грунтовкой дJlЯ последу­

ющей окра•ски пенопласта.

Эти материальт не устуnают древесине по таким важным

показателям, как стойкость к царапанью и твердость при вдав­

ливании. Вместе с тем у естественной древесины значительно

выше разрушающее напряжение при изгибе и модуль упру­

гости.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПЕНОПЛАСТЫ

Область применения ППУ высокой плотности значительн<J

расширила•сь после того, как фирмой «Байер,, (ФРГ) был раз­

работан процеос изготовления особого рода жестких формо­

ванных пенопластов, получивших торговое название «дуроме­

ры». Эти материалы, имеющие плотную (монолитную) поверх­

ностную корку и пористую сердцевину, и формуемые за один цикл, были названы структурными или интегральными пена­

пластами (ИП) [6д].

В отличие от ранее известных способов получения пенапла­

стов «под дерево» в на·стоящее время для изготовления ИП в.

полость пресс-формы заливают объем композиции на 50-150%

больший, чем требуется для получения «обычного» пенапла­

ста методом свободного вспенивания. Развивающееся при

этом в форме давление (300-600 кПа) приводит к конденса­ ции вюпенивающего агента (фреона) и к образованию невепе­ неиной корки. ~роме того, вспениванию композиции на поверх­

ности формы препятствуют высОI<ая теплоемкость и теплопро­

водность стенок. Первоначально считали, что такой проце·сс· пригоден только для производства мелкосерийных изделий ма­ лых размеров ли·бо крупных формованных изделий, имеющих

длительный цикл формования и изготовление которых связа­

но с большими потеря•ми материала в литниках .[7д-10д]. Для ши•рокого внедрения ИП в автомобилестроение (см.

гл. 4) следует решить не только ряд технических проблем, но·.

идоказать эконо·мические преимущества таких изделий по·

сравнению с металлическими и изделиями на основе термапла­

стов [11д, 12д].

Важная работа была проделана фирмой «Бритиш Лейланд» (Англия) по изготовлению корпусов микроавтомобилей из· ИП [ 1О]. Для обеспечения необходимой жесткости и устойчивости

корпуса в пенопла·ст вводили металлическую арматуру. Такие­

автомобили хорошо зарекомендовали себя при дорожных ис­

пытаниях.

С 1972 г. был достигнут заметный успех в совершенство­

вании рецептур и в разра·ботке доступного высокоавтомати­

зированного оборудования для получения ИП [ 11, 12]. Эта

работа в значительной мере стимулировала·сь растущим инте­

ресом автомобилестроителей к процессам реакционного инжек­

ционного формования (РИФ) для получения микроячеистых

бамперов и т. п. (см. гл. 3 и 4). Разра·ботка кару·сельных ли­

ний с одним смесительно-дозирующим агрегатом, поя·вление

многогнездных пресс-форм и создание рецептур с внутренней смаз1юй сделали ИП конкурентоспособными по отношению к

литьевым термопла·стам, по крайней мере, для изделий мас­

изделия различного размера ма·ссой от 0,5 до 25 кг, причем

даже при большой разности в толщине стенок одного изделия не наблюдается образования утяжин.

Сравнение капитальных затрат [7] на организацию произ­

водства с годовым выпуском 240 000 изделий показала, что из­ готовление изделий из интегрального ППУ обходится дешев­ ле, чем из полипропилена (при одинаковом геометрическом

-объеме изделий 260 см3). Большим достоинством ИП является

также их повышенная огнестойкость.

До недавнего времени основные усилия химиков и техноло­

гов, совершенствующих процеос изготовления ИП, были на­ ·правлены на уменьшение продолжительности цикла формова­ ния и на повышение температуры размягчения и формоустойчи­

lюсти этих материалов.

Первая проблема была решена путем замены полнолов на

·основе триметилолпропана полиолами, содержащими сахароз­

ные или ароматические циклы, а также посредством введения

ь исходный полимер изоциануратных групп. Так, продолжи­

мости полнолов с обычными промытленными ПИЦ. Эта труд­

ность была преодолена ПOCJle разработки специальных типов ЛИЦ, таких, как Десмодур 44V10 (фирма «Байер») и Супра­ ·~ек VM60 (фирма «Ай-Си-Ай»), имеющих среднюю фующио­ нальность 2,6 вместо 2,8 у обычных ПИЦ. Установлено так­ -же, что если функциональность ПИЦ снизить до 2,3, то их со­

вместимость с полполами становится еще лучше, но, к сожа­

.лению, при этом снижае11ся теп.rюстойкость изделия.

Таким образом, достигнутые за последние годы успехи в

·-создании композиций, обеспечивающих высо·кую размерную

точность изделий, а также значительное у.Тiучшение ра·боты

·оборудования позволяют надеяться на существенное расшире­

ние производства ИП в ближайшем будущем [13д-19д].

184

Технико-экономические достоинства данных материалов со­

стоят в следующем:

1)очень высокая удельная прочность, т. е. отношение абсо­

лютной прочности к ма•ссе изделия;

2)возможность варьирования плотности :материала в очень

широких пределах, что в свою очередь позволяет достигать оп­

тимальных экономических показателей для каждого конкрет­

ного изделия;

3) высокая текучесть композиций, что позволяет получать изделия более крупных размеров и более сложной конфигура­

ции, чем из литьевых пенотер:мопластов;

4) возможность получения изделий с гладкой поверхнrсrью

и с различной толщиной ·поверхностной коркиот 5 до 100 мм;

5) точное воспроизведение текстуры поверхности, и•митирую­

щей, например, дерево или кожу;

6) возможность формования изделий с металлическими

или деревянными вкладышами, т. е. получение армированных

ИП;

7)возможность достижения оптимального баланса между физико-механическими свойствами и с'Гоимостью изделий;

8)возможность изготовления на одной у<:тановке изделий,

оборудование установок.

В заключение отметим, что в Европе в отличие от США ин­ тегральные ППУ не нашли еще широкого примснения в ме­

бельной промышленности, по-видимому, из-за медленной раз­ работки новых констру:кций мебели, в которых учитывается

специфика технологии ИП. Однако в тех 01бластях, где уда·­

лось реализовать технологические преимущества этих мате­

риалов, применение ИП ра·стет очень быстро, например для изготовления высокопрочных изделий сложной формы: окон­

ных переплетов, лопастей вентиляторов и т. п. [20д-28д].

СТЕI(ЛОНАПОЛНЕННЫЕ ППУ

Хорошо известен эффект значпте"1ьного повышения прочно­ стных свойств пенополиуретанов путем поверхностного или объ­

емного армирования металлическими или деревянными элемен­

тами (проволока, волокна, каркасы и т. д.). Для ППУ арми­

рование облегчено тем, что оно реализуется непосрецстненнv

в процессе вспенивания за счет высокой адгезии ко•мпозиции к

армирующим элементам. Именно Tai<, например, изготавшша­ ют мя:nкие формов·анные подушки с текстильным (армирую­

ЩИIМ) по.крытием; конструкции современных холодiильников

основаны на с'П'оообности жестких пенапластов не толь•ко изо­

лировать, но и склеивать в единое целое каркас и стальные

облицовочные листы холодильного шкафа.

185

В некоторых процеосах ламинирования и напыления исполь­

зована идея совмещения узла рубки· стеклянных жгутов со

смесительной головкой распыляющего или заливочного типа.

Различного рода композиционные материалы на основе жест­ ких ППУ, армированных деревом или металлическ·ОЙ проволо­

кой, уже производятся в широком ма,сштабе и дают сущест­

венный выигрыш в жесткости изделия [ 13].

Фирмой «Байер» разработан процесс «депотмат» [ 14],

предназначенный для изготовления ППУ, армированного син­

тетическими волокнами. В данном процессе вспенивание компо­

зиции происходит между слоями матов из волокон, причем

плотность пенапласта на периферии изделия заметно выше,

чем в сердцевине. Преимущества данного материалапракти­

чески полное устранение внутренних напряжений на границе

раздела пенапластоблицовка, наблюдаемых при обычных r:роцессах ламинирования [ 15].

В последние годы заметно возрос интерес к стеклонапол­

ненным полимерным материалам, получаемым с помощью

РИФ-процесса и предназначенным, в ча·стно(:ТИ, для изготовле­

ния эластичных. бамперов автомобиля {см. гл. 3 и 4). Полиуре­ таны, ранее используемые для этих целей, имели при высо­

кой ударной вязкости низкую жесткость. У.силиями специали­

стов автомобильных фирм {«Дженерал мотор,с», «Форд»,

США) бьши разработаны промытленные установки для про­ изводства стеклонаполненных полиуретанов по РИФ-процес·су. Создание таких машин открыло совершенно новые области

применения стеклонаполненных полиуретанов, как монолит­

ных, так и вспененных.

Рассмотрим теперь кратко особенности технологии и· свойст-в

таких материалов.

Н а п о л н и т е л и. Наиболее перспективны два типа стек­

лянных волоконрубленые и измельченные {молотые). Пер­

вые, представляющие собой связки стеклянных нитей длиной

3-6 мм, получают разрезанием стекложгутов. Вторыеку­ сочки волокон {крошка) длиной 0,7-1,5 ммполучают раз­

молом отдельных стеклянных нитей в молотковой мельнице.

До настоящего времени в РИФ-процеосах применяют в ос­

новном крошку, которая не так сильно увеличивает вя:шость

композиций, как рубленое волокно. Кроме того, молотые во­

локна легче диспергирую11ся и, наконец, .способствуют получе­ нию изделий с более гладкой поверхностью.

Поскольку для данной технологии критическим параметром

является вязкость композиции, то возможность реализации

конкретного процесса определяется, в сущности, мощностыо

смесителей, которыми оснащены у,становки высокого давления.

186

волокнистыми наполнителями. Для переработки таких систем

всовременных установках ИСf:!ОЛьзуют исключительно дозиру­

ющие цилиндры-накопители, а не аксиально-поршневые насо­

сы непрерывного действия. Последние быстро выходят из

строя вследствие высокой вязкости ком,позиций и абразивного

износа поршневой системы. Высокую скорость переработК'и

композиций, И!меющих вязкость до 3000 мПа· с, обеспечивает

комбинация двух типов смешенияструйного и мехаюiческо­

го [17].

Из последних достижений в этой области отыетим машины фирмы «Крау;сс-Маффей» (ФРГ), позволяющие перерабаты­

вать композиции как с волокнистыми, та·к и с дисперсными на­

полнителями [:18]. В таких машинах полиол с наполнителем

закачивают в цилиндр-накопитель в количестве, необхо,:;:.и,~ом

для одной заливки, а затем эта смесь подается в заливочную

головку высОI<Ого давления с помощью гидравлического норш­

ня. Так перерабатывают КО'мпозиции, содержащие до 50% на­ полнителя, т. е. имеющие вязкость в 2,5 раза выше обычной­

ние наполнителя на прочность объясняется ка·к са:мим эффек­ том упрочнения за счет армирующего действия наполнения. так и спецификой физико-химического взаимодействия полиуре­ тановой матрицы со стеклянным волокном.

Армирующий эффект наполнителя проявляется в снижении

у.садки, уменьшении коэффициента термического расширения и

повышении формаустойчивости при нагреве. Особенно важно

снижение коэффициента термического ра·сширения, что позво­ ляет использовать ППУ в :металлических конструкциях; повы­

шение формаустойчивости при повышенных температурах су­

щественно при таких операциях, как крашение и последующая

термообра·ботка.

Физико-химическое взаимо'действие стеклянных волокон с

полиуретаном приводит к повышению жесткости разрушающе­

го напряжения при ра,стяжении, но одновременно и к снпже­

нию относительного удлинения. При увеличении концентгащш

на,по;Тiнителя от О до 25% происходит линейное возрастанис

прочности материала.

При неизменности химического состава композиц1ш свой­ ства наполненных жестких ППУ зависят не только от содеr­

жания наполнителя, но и от размера волокон, а также от сно­

соба предварительной обра·ботки их поверхности. В таб.п. 7.1

приведены данные Айшема [16] о влиянии содержания стек­ лянного волокна (15%) на механические свойства эластич­

ных, полужестких и жестких полиуретанов, изготавливаемых с

помощью РИФ-процесса. При этом принят следующий принцип

I<Ла<ссификации: эла·стичныемодуль упругости при изгибе

140-280 МПа (применяются, например, для изготовления пе­

редних частей автомобиля); полужесткиемодуль упругости

187

Таблица 7.1. Влиян.ие арм.ирован.ия стеклян.н.ьtм.и волокн.ам.и н.а свойства

полиуретан.ов

70-1000 МПа (применяю'Гся для изготовления крыльев авто­

мобиля); жес'ГКиемодуль упругости 1700-2000 МПа.

К сожалению, до сих пор нет данных о влиянии больших количеств стеклянного волокна (более 20%) на огнестойкость полиуретанов. Очевидно, однако, что ес.rш этот показатель будет улучшен, то обла•сти применения наполненных полиуретанов

расширятся еще больше.

Морф о л о г и я. В композиционных материа"1ах поверх­

ность раздела между наполнителем и матрицей играет важ­

нейшую роль в формировании физических свойств изделий, и

прежде всего прочности (процессы разрушения).

В этом отношении наполненные ППУ исследованы очень мало. Следует указать на работы Шорталла [ 19, 20], изучав­ шего влияние морфологии на разрушение при ра•стя·жении же­ стких ППУ, наполненных короткими стеклянными волокнами. Для данных материалов установлена так называемая крв:ти­

ческая длина волокна, выше и ниже которой механические

свойства ППУ резко ухудшаются.

Очевидно, что морфологические исследования весьма важны

для дальнейшего улучшения свойств наполненных полиурета­

нов.

КОВРЫ С ПОДЛОЖКОй ИЗ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА

В последние годы поя-вилось много методов изготовления ковров с подлож·кой (прослойкой} из ППУ. Вообще, идея ис­

пользования эластичного ППУ для дублирования ковров по­

явила.сь с самого начала развития промышленности полиуре­

танов. Так, Смит и Вуд [21] еще 25 лет назад высказали идею получения ковров с подложкой из ППУ, наносимой методом

напыления. Однако в то время еще не умели получать тонкие

188

слои эластичного пелопласта с низкой остаточной деформаци­ ей, кроме того, технологические процессы нанесения ровных 1онких слоев реа'кционной ма·ссы еще не были разра·ботаны.

И только в последние годы оказалось возможным реализовать

эту идею в промытленном масштабе. Интерес к технологии дублирования ковров полиуретанами особенно возрос после

того, как стало нсно, что помимо придания изделиям высоких

эксплуатационных качеств эти процессы благодаря большим

скоростям отверждения полиуретанс..-вых систем сопряжены со

знаЧ'ительно меньшими энергетическими затратами и, самое

тлавное, не требуются большие производственные площади.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОДЛОЖЕК: ИЗ ППУ

Все процессы, предложенные для изготовления ковровых подложек из ППУ, можно разделить на три основных типа:

1)процессы, основанные на использовании оборудования и

1ехнологии для изготовления подложек на основе пенолатек­ сов;

2)дублирование ковров не полностью отвержденными тон­

IШМИ листами ППУ (метод переноса);

3)нанесение быстротвердеющей вспенива}Ощейся компози­

ции на ткань методом прямого напыления.

Рассмотрим теперь подробно каждый из перечисленных про­

цессов.

Л а т е к с н а я т е хн о л о г ·и я. Э11и процессы, используе­

мые многими фир·мами, в том числе «Юнион I<арбайд» [22] и

«Дау кемикл» [23], основаны на применении уже существую­

щего оборудования; при этом нет необходимости переучивать персонал, обслуж'ивающий эти у~станоВiш.

Сущность процесса, разработанного фирмой «дау кt:микл:-> [23], состоит в следующем. Реакционную смесь взбивают ме­

ханически и жидкую пенакомпозицию равномерно ра·спределя­

ют по ткани. Далее ковер поступает в камеру тепловой обра­

ботки,. в которой процесс отверждения отрегулирован таким

образом, что достигается и требуемая глубина проникновения

реакционной ма·ссы в ткань, и полностью завершается процесс

ство этого процесса-низкая энергоемкость, так как отсутст­ вуют операции отгонки воды или растворителя, а температу­

ра термообработки довольно низка.

Последнее приводит и к улучшению условий труда, и к ис­

ключению опасности плавления в камере искусственного во­

локна (например, из полипропилена), на основе которого сде­

лана ткань.

189

Данные о потреблении источника энергиигорючего га­

зана производство различных видов подложек приведены

ниже [23]:

Однако этот процесс имеет существенный недостаток: полу­ чаемый ППУ обладает слишком высокой плотностью, та~к .как

используемые ком,позиции имеют низкую кратность вспенива­

ния.

Дублирование тонкими ли·стами. Процесс, раз­ работанный фирмами «Байер» и «Метцелер» [24-25), позволя­

ет получать дублированные ковровые покрытия шириной !10

5 м со скоростью до 6 м/мин. Полиуретановую композицию на­

носят горизонтально и распределяют вспомогательным ро.шком

по специальному барабану большого диаметра, нагретому до

80 °С. После того, ка:к реакционная масса соприко·снется с ков­

ром (по мере вращения барабана), она начинает проникать

между волокнами ковра и ~вспениваться. Одного оборота бара­

бана достаточно для полного завершения реакции, после чего

дублированный ковер снимают. Схематическое изображение установки приведено на рис. 7.1. Таким способом можно нано­

сить подложку и на несколько более узких ковров, подаваемых

параллельна друг другу.

Рис. 7.1. Барабанная машина фирм «Байер-Метцелер» для нанесения под­

ложки:

1 - 6арабан с ковром; 2 - инфракрасный нагреватель; 3 - реакционная смесь; 4 - анти­

адгезив; 5 - барабан из эпоксидно/i смолы, нагреты!! до 80 •с.

190

Рис. 7.2. Схема установки фирмы «Ай-Си-Ай» для нанесения ковровой под-

ложюr:

1 - барабан с ковром; 2, 12- коыпенсаторы; 3 - н11жняя щетка; 4 - кащ~ра для оплав­

ления; 5 - щетка; 6 - предвар11тельный нагреватель; 7 - каыера напыления; 8 - инфра­

Этот метод, часто называемый методом переноса, позволяет

получать подложку низкой плотности, выявлять дефекты под­

ложки до ее соприкосновенпя с ковром; регулировать степень

проникновения массы внутрь текстильного материала путем со­

ответствующих изменений рецептуры, условий отвержденпя

или места соприкосновения композиции с ковром. К: недостат­

кам метода относят высокие I<апитальные затраты, значитель­

ный расход антиадгезионной бумаги, необходимость нанесения

подслоя для склеивания волокон и пучков ворса.

П р я м о е н а пыл е н и е. Технология прямого напыления цодложки, разработанная фирмой «Ай-Си-Ай», состоит в на­

пылении жидкой уретано1вой смеси на нижнюю поверхность ковра (рис. 7.2). Данный метод позволяет изготавливать очень

прочные изделия по достаточно дешевой технологии [26]. Эко­

номичность процесса достигается за счет низких капитальных

затрат и незначительного расхода вспомогательных материа­

лов. К:роме того, в тех случаях, когда применяются высоi<Оре­

активные композиции (с напол•нителями или без них), дости­ гается значительная экономия энергии. Наконец, метод не тре­

бует ни предварительной проклейки пучков ворса, ни дорого­ стоящего оборудования, применяемого в методе переноса.

Прочность ковра достигается за счет того, что значительная

часть напыляемой композиции (30%) проникает внутрь ковра,

обеспечивая прикленванне волокон и ворса; вспененную под­ ложку образует оставшаяся часть композиции.

Для нанесения подложки на ковер шириной 5 :.1 при скоро­ сти подачи 6 м/мин необходима сдвоенная установка для напы­

ления суммарной производительностью 24 кг/мин, со скоростью

поперечного дв.Иiжения ра,спьшительной головки не менее 200 м/мин. Небольшая модификация устройства для попереч­

ного перемещения головки (разработка фирм «Ай-Си-Ай» и

«Вайкинг») с использованием электромагнитной муфты поз­

воляет получать покрытия высокого качества: именно точ­

ность работы механиз•ма перемещения головки и определяет

надежность всего процесса в целом.

191

Одной из частых причин получения бракованных подложек

является наличие обрывов нитей и бахромы на кромках Тlкани,

что снижает кратность вспенивания композиции. Для устране­

ния этой опасности непосредс<tвенно перед нанесением ком·пози­

ции кром·ки ковров оплавляют.

Получающаяся подложка имеет довольно ровную поверх­

ность ('колебания по толщине не более 0,05 мм), но она, ко­ нечно, не такая ровная, как слой латекса или ПВХ. Глубо·кое

тиснение обычно не используется (особенно в Европе), чаще

применяют мел:кое тиснение.

Ранее тиснение проводили на свежевспененной подложке, когда она еще сохраняла липкость. Позднее, однако, бьшо

показано, что неглубакое тиснение может осуществляться на­

гретым роликом и по отвержденному покрытию; одновременно

тем же роликом можно контролировать толщину подложки.

Информация о широкой промышленной реализации этого

процесса для ковров полной ширины (5 :м) в литературе еще не поя·вилась, о·дна,ко разработанная фирмой «Ай-Си-Ай» уста­

новка имеет следующие показатели: при непрерывной работе

в течение ·4 ч при расходе 650 г/:м2 изготовленные ковры имеют

толщину подложки 3-5 мм (при разбросе не более 0,05 м~1).

Подводя итог ра·ссмотрению технологии изготовления под­

ложек из ППУ :методом прямого напыления, следует отметить

следующие его преимущества перед :методом нанесения поддо­

жек из пенолатекса: низкие капитальные и трудовые затраты,

экономия энергии, упрощенная технология (не требуется про­

клейка пучков ворса), снижение :массы изделий, сокращение

произведетвенных площадей.

Ф и з и к о-м е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а п о д л о ж е к из П П У. Важнейшим достоинством поддожек этого тппа яв­ ляется их очень высокая износостой,кость по сравнению с пе­

норезиной и пенополивинилхлорпдом. Другие свойства подло­

жек из ППУ, представленные ниже, относятся к материалач,

изготовленным по способу фирмы «дау кемикл» [23]:

• Завис11т от типа ворса 11 ткани.

Подложки из ППУ придают коврам стойкость к истиранию,

высокую формаустойчивость и паропроницаемость, хорошую

192