Материаловедение и технология конструкционных материалов

10.3.2.Технология получения изделии из пластмасс

иполимерных композиционных материалов

В промышленности применяются следующие методы формо­ образования изделий из пластмасс: экструзия, прессование, ли­ тье под давлением, спекание, механическая обработка, сварка.

При экструзии расплав полимера непрерывно выдавливается через формообразующее отверстие в виде профиля определенно­ го сечения. Методом экструзии получают профильные изделия: трубы, уголки, полосы, стержни. Выдавливание термореактив­ ных материалов осуществляют в пресс-формах на горизонталь­ ных гидравлических прессах (рис. 10.5), а термопластических — с использованием шнековых или червячных устройств — экс­ трудеров (рис. 10.6), что обеспечивает непрерывное пластифици­ рование полимера. Пленки и полые трубчатые изделия получают

всочетании с раздуванием заготовок сжатым воздухом (рис. 10.7). Прессованием наиболее часто изготавливают изделия из тер­

мореактивных пластмасс, причем различают прессование прямое (компрессионное), литьевое (трансферное), непрерывное профиль­ ное. На рис. 10.8 показана схема прямого прессования. При загруз-

11

Рис. 10.5. Схема пресс-формы для экструзии термореактивных полимеров:

I — зона приема материала; 2 — переходная зона; 3 — профилирующая зона; 4 — мундштук; 5 — зажимная гайка; 6 — фланец для крепления пресс-формы к неподвижной плите пресса; 7 — электрические обогревате­ ли; 8 — матрица; 9 — нагреваемая обойма; 10 — охлаждаемая обойма; I I — бункер-наполнитель; 12 — загрузочная полость; 13 — поршень пресса;

14 — фланец для крепления поршня к подвижной плите пресса

Рис. 10.6. Схема экструдера:

1 — шнек; 2 — загрузочное отверстие; 3 — цилиндр; 4 — водяной или паро­ вой обогрев; 5 — воздушное охлаждение; 6 — дорн; 7 — головка цилиндра; 8 — мундштук

Сжатый воздух

Рис. 10.7. Схема изготовления пленки раздуванием трубы вверх:

1 — шнек; 2 — цилиндр экструдера; 3 и 4 — фильтрующие сетка и решет­ ка; 5 — дорн; 6 — оформляющая головка; 7 — электрические нагреватели; 8 — охлаждающее устройство; &— направляющие ролики; 10 ■— захваты­ вающие валики; 11 — барабан

l i i l l

Рис. 10.8. Схема изготовления изделий прессованием:

а — загрузка шихты в пресс-форму; б — прессование; в — извлечение изде­ лия; 1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — выталкиватель; 4 — пресс-материал; 5 — готовое изделие

ке в полость горячей нижней пресс-формы (матрицы) материал разогревается до вязкотекучего (гельного) состояния и под дав­ лением верхней горячей формы (пуансона) принимает форму готового изделия. Изделие выдерживается в пресс-форме под давлением до полного отвердения термореактивного материала, после чего извлекается из формы. Листовой и пленочный термо­ пластичный материал прессуется с помощью сжатого воздуха или вакуума.

Схемы пневмоформования и вакуум-формования показаны на рис. 10.9.

/ 2

воздух Вакуум

Рис. 10.9. Схема пневматического (а) и вакуумного (б) прессования: 1 — матрица; 2 — изделие

Литье пластмасс под давлением характеризуется высокой производительностью, а получаемые изделия — высокой точно­ стью и повышенной чистотой поверхности. Этот метод, которым обычно перерабатывают термопластичные материалы, основан на нагреве полимера до вязкотекучего состояния и последующем

охлаждении расплава под давлением в пресс-формах литейных машин (рис. 10.10). Технология позволяет получать детали мас­ сой от нескольких десятков граммов до 100 кг.

Рис. 10.10. Схема литья под давлением:

1 — цилиндр: 2 — поршень; 3 — дозатор; 4 — бункер-накопитель; 5 — электрообогреватель; 6 — гильза терморегулятора; 7 — сопло; 8 — крон­ штейн; 9 ж14 — пружины; 10 — неподвижная плита для крепления пуан­ сона; 11 — пуансон; 12 — толкатели; 13 — матрица; 15 — подвижная плита; 16 — Траверса; 17 — упор

Методом спекания изготавливают изделия из термопластов с высокой температурой плавления и большой вязкостью рас­ плава.

Для получения композитов используют технологию формо­ вания ручной кладкой с применением оборудования для напыле­ ния, в которое входят устройства для подачи смолы, катализа­ тора, рубленого волокна и распылительные устройства с различ­ ными видами смешивания компонентов (наружным, внутрен­ ним и безвоздушным).

Напыление пластмассовых порошков осуществляют с ис­ пользованием газопламенных горелок (рис. 10.11). Непрерыв­ ные производственные процессы предусматривают применение роботизированных автоматов для напыления (рис. 10.12). Из­ делия из волокнистых ПКМ изготавливают прямым и литьевым прессованием, литьем под давлением. Предварительная намот­ ка волокон осуществляется на вращающуюся оправку с контро­ лируемым углом и расположением армирующего материала.

Полиэфирные смолы и стекловолокна являются главными ком­ понентами КМ. Для сосудов высокого давления в качестве свя­ зующего используют эпоксидные смолы. Производство профиль­ ных изделий из волокнистых пластиков аналогично экструзии термопластов. Этот процесс называется пултрузия и осуществля­ ется на специальных машинах для изготовления труб и изделий сложного профиля.

10.4. Резиновые материалы

Резины представляют собой продукт вулканизации каучука в смеси с добавками и наполнителями. Под вулканизацией пони­ мают процесс сшивки макромолекул каучука в пространствен­ но-сетчатую структуру с целью получения высокоэластичного материала. Основой резины является каучук натуральный или синтетический. Подавляющее большинство резиновых материа­ лов производится на основе синтетических каучуков (известно около 250 видов). Наибольшее практическое применение имеют каучуки бутадиеновые, бутадиенстирольные, бутадиеннитрильные, хлоропреновые, бутиловые, этиленпропиленовые, кремнийорганические, полиуретановые и др.

Помимо каучуковой основы в состав вулканизируемой смеси входят следующие ингредиенты.

Вулканизирующие вещества (агенты). Для большинства каучуков вулканизирующим агентом номер один является сера, сшивающая макромолекулы каучука за счет образования попе­ речных связей между ними. При небольших добавках серы (массовая доля до 5 %) образуется редкосетчатый полимер, об­ ладающий высокой эластичностью. По мере увеличения содер­ жания серы твердость полимера возрастает и при массовой доле серы свыше 30 % образуется твердый материал — эбонит. Кро­ ме серы в качестве вулканизирующих агентов могут использо­ ваться селен, оксиды некоторых металлов и другие вещества.

Наполнители вводят для улучшения механических свойств (сажа, оксид цинка) и снижения стоимости (мел, барит, тальк) резины. Иногда в качестве наполнителей используются измель­ ченные производственные отходы резины и старые резиновые изделия.

Резины обладают уникальными эластическими свойствами. При нормальных температурах резины могут подвергаться боль­ шим упругим деформациям. Модуль упругости резин (1... 10 МПа) на несколько порядков ниже модуля упругости стали. Для резин свойственна релаксация напряжений при их механическом на­ гружении. В зависимости от природы каучуковой основы резины обладают следующими механическими свойствами: временное сопротивление 1...50 МПа; относительное удлинение при разрыве 100...800 %; твердость по Шору 30...95. Механические свойства резин сильно зависят от температуры, повышение которой вызы­ вает снижение их прочности и твердости.

Резины, поставляемые потребителю в вулканизированном со­ стоянии, в соответствии с их назначением делят на две основные группы: резины общего назначения и резины специального на­ значения.

Крезинам общего назначения относятся материалы на основе натурального, бутадиенового, изопренового, бутадиенстирольного, хлоропренового, бутилового каучуков. Из этих резин изготавли­ вают шины, конвейерные ленты, приводные ремни, кабельную изоляцию и фасонные резинотехнические изделия. Изделия из резин общего назначения могут работать при температурах в интер­ вале -35...150 °С, их отличает стойкость в воздухе, воде и слабых растворах кислот и щелочей.

Крезинам специального назначения относятся теплостой­ кие, морозостойкие, маслобензостойкие, износостойкие, электро­ проводящие, магнитные, диэлектрические, стойкие к действию

агрессивных сред и др.

Основой теплостойких резин являются этиленпропиленовые и полисилоксановые каучуки, которые обеспечивают возможность работы при температурах 150...200 °С, а в отдельных случаях даже при 350...400 °С.

Морозостойкие резины получают на основе каучуков с низ­ кой температурой стеклования, преимущественно кремяийорганических, либо с обычной температурой стеклования, например бутадиеннитрильных, но со специальными пластификаторами. Рабочие температуры достигают -76 °С.

Маслобензостойкие резины на основе хлоропреновых, уретановых, полисульфидных, бутадиеннитрильных и других каучу­ ков могут работать в условиях длительного контакта с нефтепро­ дуктами и растительными маслами.

238 Раздел I. Материаловедение

На основе полиуретановых каучуков получают износостойкие резины, а на основе бутадиеннитрильных, кремнийорганических, хлоропреновых, акрилатных каучуков — резины, стой­ кие к действию агрессивных сред.

Электропроводящие и магнитные резины изготавливают путем введения электропроводящих и магнитных наполнителей в полярные бутадиеннитрильные каучуки.

Основой диэлектрических резин являются кремнийорганические, этиленпропиленовые, изопреновые и некоторые другие кау­ чуки. Помимо рассмотренных, существуют и другие виды специ­ альных резин: пищевые, медицинские, вакуумные, огнестойкие, радиационно стойкие и т.д.

10.5. Сотовые и панельные конструкции

Сотовые и панельные конструкции являются видом продукции, использующей непропитанные и пропитанные крафт-бумаги, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, армированные пластики, арамидные бумаги, стеклопластики на основе тканей

исвязующих. Структура сотовых (сандвичевых) конструкций состоит из двух облицовочных пластин, толстой легкой сердце­ вины (заполнителя), разделенного несущими пластинами, и адге­ зионных слоев, связывающих элементы конструкции. Несущие

иоблицовочные материалы изготавливают в самолетостроении из алюминиевых, титановых сплавов и сталей, углепластиков или стеклопластиков. Заполнителями, придающими устойчивость конструкции, служат дерево, пенопласты, армированные пла­ стики.

Сотовые структуры изготавливают процессом растяжения пред­ варительно соединенных по исходным линиям пакетов, одновре­ менно образующих ячеистую структуру, либо процессом рифления исходного материала (рис. 10.14, а, б). Схема плоской сотовой (сандвичевой) панели представлена на рис. 10.14, в.

Проектирование сотовой конструкции ведется на основе сле­ дующих критериев:

□ облицовочные и несущие пластины должны иметь достаточ­ ный модуль упругости и толщину, чтобы выдержать напряжения

Рис.10.14. Схема изготовления наполнителей (а, б) и вид сотовой конструкции (в)

сжатия, растяжения, сдвига и избежать смятия (для особо нагру­ женных конструкций применяют облицовочные пластины из волокнистых композиционных материалов);

□заполнитель должен выдерживать сдвиговую нагрузку;

□размер ячеек должен обеспечить устойчивость несущих пла­ стин.

Панельные конструкции могут изготавливаться из листового

исортового проката (уголки, швеллеры, трубы, профили, двутав­ ры и т.п.) методами пайки элементов твердым припоем (на основе меди), диффузионной сваркой или сваркой взрывом. Полые па­ нели сваркой взрывом изготавливают, размещая облицовочную пластину со сварочным зазором к несущим элементам. На обли­ цовочной пластине располагают заряд взрывчатого вещества, который инициируют электродетонатором. Для сохранения сво­ бодной полости между элементами в полостях размещают техно­ логический наполнитель из легкоплавкого материала (например, сплав ВУДа), который после сварки взрывом легко выплавляется при нагреве.