Технология конструкционных материалов

Термопластыделят на неполярные и полярные. К первым относят­ ся полиэтилен, полипропилек, полистирол и фторопласт-4, ко вто­ рым — органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхлорид, поли­ амиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиформальдегид и др.

Полиэтилен в зависимости от способа полимеризации и достигае­ мой плотности подразделяют на полиэтилены низкого и высокого давления, отличающиеся степенью разветвления молекул (она выше у полиэтилена высокого давления), а также молекулярной массой и степенью кристалличности. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше его прочность, ударная вязкость, относитель­ ное удлинение и теплостойкость. Газопроницаемость полиэтилена высокого давления выше в 4...8 раз, а химическая стойкость ниже, чем у полиэтилена низкогодавления. При нагреве на воздухе (290 °С) подвергается термодеструкции (разложению), под влиянием сол­ нечной радиации — термостарению. Полиэтилен перерабатывается литьем под давлением, прессованием, сваривается и поддается меха­ нической обработке. Из него изготавливают кислотостойкие трубы, краны, пленки и различную арматуру. Обладает высокимидиэлектри­ ческими свойствами и служит в качестве защитных покрытий от кор­ розии.

Полипропилен обладает высокой стойкостью к многократным из­ гибам, износостойкостью, стойкостью к агрессивным средам. Явля­ ется сырьем для получения эластичных и устойчивых к кислотам и щелочам волокон. Из пропилена литьем под давлением, экструзией, прессованием, сваркой, раздувом изготавливают пленки, трубы, де­ тали холодильников, мотоциклов и автомобилей. Его недостатками являются невысокая морозостойкость (до -20 °С).

Из полистиролалитьем поддавлением, экструзией, вакуум- и пнев­ моформированием получают нити, пленочные материалы, различные легко нагруженные фасонные изделия. Высокие диэлектрические свойства позволяют применять его В радиотехнике и электронике. Полистирол — хрупкий полимер, обладает высокой радиационной стойкостью, подвергается старению, разрушается кислотами, набуха­ ет в бензине и керосине. Его недостатками являются невысокая теп­ лостойкость и склонность к трещинообразованию.

Фторопласт-4 — линейный полимер аморфно-кристаллического строения. Наиболее химически стоек из всех полимеров, обладает низким коэффициентом трения и свойствами самосмазки, относи­

тельно мягок, хрупок при низких температурах (-27 °С). Он пере­ рабатывается спеканием предварительно спрессованных изделий. Подвергается закалке. При переработке степень кристалличности снижаетсядо45...85 %. Из фторопласга-4 изготавливаютподшипники, уплотнительные элементы и химически стойкие детали: трубы, кра­ ны, вентили, мембраны и т. д.

Фторопласт-3 уступает по химической стойкости фторопласту-4, но превосходит другие полимеры. Он может работать при температу­ рах не выше 70 °С. Его применяют для изготовления деталей насосов, счетчиков, клапанов, мембран и диафрагм.

Органическое стекло имеет аморфную структуру. Марки стекол оп­ ределяются химическим составом и свойствами. А-стекла (высоко­ щелочные) прозрачны, используются для производства емкостей и листового стекла. С-стекла (натрийборсиликатные) химически стой­ кие, их применяют в химической промышленности. Е-стекла (алюмоборсиликатные) идут на изготовление текстильного стекловолокна. S-стекла (магнийалюмосиликатные) высокопрочные, их применяют в самолетостроении и ракетостроении. L-стекла (свинцовые) приме­ няют для радиационной зашиты.

Из чистой поливинилхлоридной смолы со стабилизаторами полу­ чают винипласт — аморфный полимер. Для винипласта характерна повышенная жесткость и высокая механическая прочность. Этот ма­ териал хорошо обрабатывается, сваривается и склеивается; не под­ держивает горение; химически стоек. Из винипласта изготавливают детали запорной арматуры, используемой в химической промышлен­ ности, и элементы крупных вентиляционных систем в помещениях с агрессивной средой. Кроме винипласта из поливинилхлорида полу­ чаютполивинилхлоридный пластикат, который в основном использует­ ся для изготовления бытовых изделий и в качестве заменителя кожи.

Полиамиды характеризуются высокой усталостной прочностью, сопротивлением к истиранию и ударным нагрузкам, низкой гигро­ скопичностью, стабильностью свойств при повышенных температу­ рах. Перерабатываются литьем под давлением, экструзией, прессова­ нием, поддаются механической обработке. К полиамидам относят капрон, нейлон, фенилон. Из полиамидов изготавливают делали узлов трения, втулки, подшипники, шестерни зубчатых передач. Капрон применяется в авиа- и судостроении. Капроновые волокна использу­ ются при изготовлении сетей, строп и т. д. Нейлон обладает более вы­

сокой теплостойкостью и износостойкостью по сравнению с капро­ ном. Используется для производства синтетического волокна.

Свойства полиамидов стабильны до 300 °С. Они являются диэлек­ триками. Имеют стабильность при высоких температурах. Обладают низким коэффициентом трения. Перерабатываются литьем под дав­ лением и прессованием.

Поликарбонат оптически прозрачен, обладает низкой гигроско­ пичностью, сохраняет прочность до 200 °С. Перерабатывается холод­ ной штамповкой, прокаткой, сваркой, механической обработкой. Из него изготавливают подшипники, шестеони, медицинское оборудо­ вание, радиодетали.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями — волокнистые компо­ зиционныематериалы — обладают анизотропией механических свойств. Степень анизотропности определяетсядлиной волокон и распределе­ нием наполнителя. Различают следующие их виды: волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты. В качестве связующего используют фенолформалвдегидные смолы, а наполнителем являются очесы хлоп­ ка, волокна асбеста и стекловолокно. Волокнистые пластмассы отли­ чаются повышенными теплостойкостью (до 280 °С) и ударной вязко­ стью (25... 150 кДж/м2). Их применяют для изготовления фланцев, шкивов, втулок. Из стекловолокнитов изготавливают детали с резь­ бой и электромеханические силовые элементы.

Стеклонаполненные термопласты представляют собой армирован­ ные композиционные материалы, состоящие из расплавленного ком­ паунда, коротких стекловолокон (а также углеграфитовых, арамидных, асбестовых и других волокон) и наполнителей (слюда, тальк, стеклосферы, кремний, песок и т. д.). Подшипники скольжения, зуб­ чатые колеса, панели приборов, детали транспортных средств из стек­ лонаполненных термопластов изготавливают экструзией и литьем под давлением.

Стеклопластики относят к ОКМ на основе термопластичныхи термореакгивных связующих, армированных стекловолокнами, стек­ лотканью, пряжей. Они обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, усталостной прочностью, особыми химическими, тепло­ изолирующими, электрическими свойствами. Детали из них изготав­ ливают штамповкой, формовкой с нагревом, литьем под давлением. Широко применяются в различных отраслях промышленности и тех­ нике. Из них изготавливают армированные сэндвичевые конструк­ ции в самолетостроении и судостроении.

Термореактивные пластмассы. В термореактивных пластмассах свя­ зующим веществом являются термореактивные смолы (фенолоформальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические), а также нена­ сыщенные полиэфирные и полибутановые смолы. Термореактивные пластмассы с учетом структурного состояния используемого напол­ нителя делят на порошковые, волокнистые и листовые.

В качестве наполнителей для порошковых пластмасс используют древесную муку, графит, кварц, слюду. Однородное распределение по­ рошка в связующей массе обеспечивает высокую степень изотропно­ сти структуры и механических свойств пластмасс. Прочность и пла­ стичность их невысокие: временное сопротивление 30 МПа, предел прочности при изгибе 60 МПа, ударная вязкость 4...6 кДж/м2. Пласт­ массы с минеральными наполнителями обладают химической стойко­ стью и повышенными электроизоляционными свойствами. Материа­ лы на эпоксидной основе используются для «залечивания» отливок и восстановления изношенных деталей при изготовлении инструмен­ тальной и литейной оснастки.

К слоистым пластмассам относятся текстолит, гетинакс, асботекстрлит, стеклотекстолит и древесно-слоистый пластик (ДСП). В тек­ столите наполнителем служит хлопчатобумажная ткань. Текстолиты хорошо гасят вибрации и не подвержены раскалыванию, являются отличным материалом для слабонагруженных подшипников и зубча­ тых колес. Вгетинаксенаполнителем служит бумага, и он использует­ ся в качестве электротехнического и декоративного (облицовочного) материала. Стеклотекстолиты в зависимости от природы связующего обладают разнообразными свойствами. Древесно-слоистые пластики с наполнителем из листов древесного шпона имеют хорошие механи­ ческие свойства и отличаются низким коэффициентом трения.

Фенолоформалвдегидные смолы обеспечивают повышенную теп­ лостойкость и электроизоляционные свойства, кремнийорганические смолы — повышенные морозостойкость и химическую стойкость, эпоксидные смолы — высокие механические свойства. Они служат связующим при изготовлении волокнистыхреактопластов, например боропластиков (ПКМ, упрочненных борными волокнами), углепла­ стиков (ПКМ, упрочненных арамидными волокнами). Детали из по­ лимерных композиционных материалов применяют в авиации, воен­ ной технике, судостроении, автомобилестроении.

Газонаполненные пластмассы. Легкие и сверхлегкие газонаполнен­ ные пластмассы представляют особый класс материалов, состоящих

из твердой и газообразной фаз. Такая особенность строения материа­ ла обусловливает его высокие теплозвукоизоляционные характери­ стики. По структуре газонаполненные пластмассы делят на пенопла­ ста, поропласты и сотопласты.

Пенопласты имеют ячеистую структуру, в которой микрообъемы газообразного наполнителя изолированыдруготдругатонкой пленкой связующего. Впоропластахформируется открытая пористаяструктура. Сотопласты изготавливают из гофрированныхлистов, которые склеи­ ваются в виде сот.

Рабочие характеристики газонаполненных пластмасс (указаны нижние и верхние пределы): кажущаяся плотность 25...300 кг/м3;рабо­ чая температура -60...300 °С; временное сопротивление 0,1...4,5 МПа; предел прочности при изгибе — 0,5...7,0 МПа; ударная вязкость — 0,2...1,9кДж/м\

Газонаполненные пластмассы используются длятеплоизоляции хо­ лодильников, трубопроводов, кабин и салонов транспортных средств. Их применяют в строительстве, в радиоэлектронной и других отраслях промышленности.

9.3.2. Технология получения изделий из пластмасс и полимерных композиционных материалов

В промышленности применяют следующие методы формообразова­ ния изделий из пластмасс: экструзия, прессование, литье под давле­ нием, спекание, механическая обработка, сварка.

При экструзии расплав полимера непрерывно выдавливается через формообразующее отверстие в виде профиля определенного сечения. Методом экструзии получаютпрофильные изделия: трубы, уголки, по­ лосы, стержни. Выдавливание термореактивных материалов осуще­ ствляют в пресс-формах на горизонтальных гидравлических прессах (рис. 9.5), а термопластических — с использованием шнековых или червячных устройств — экструдеров (рис. 9.6), что обеспечивает не­ прерывное пластифицирование полимера. Пленки и полые трубча­ тые изделия получают в сочетании с раздуванием заготовок сжатым воздухом (рис. 9.7).

Прессованием наиболее часто изготавливают изделия из термореак­ тивных пластмасс, причем различают прессование прямое (компресси­ онное), литьевое (трансферное), непрерывное профильное. На рис. 9.8

Рис. 9.5. Схема пресс-формы для экструзии термореактивных полимеров:

1 —зона приемаматериала; 2 —переходная зона; 3—профилирующая зона; 4 — мундштук; 5— зажимная гайка; 6— фланецдля крепления пресс-формы к неподвижной плитепресса; 7— электрические обогреватели; 8— матрица; 9 — нагреваемая обойма; 10— охлаждаемая обойма; 11 —бункер-наполни­ тельматериала; 12—загрузочнаяпшю!сть; 13— поршеньпресса; 14—фланец

для крепления поршня к подвижной плите пресса

Рис. 9.6. Схема экструдера:

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

показана схема прямого прессования. При загрузке в полость горя­ чей нижней пресс-формы (матрицы) материал разогревается до вяз­ котекучего (гельного) состояния и под давлением верхней горячей формы (пуансона) принимает форму готового изделия. Изделие вы-

Сжатый воздух

Рис. 9.7. Схема изготовления пленки раздуванием трубы вверх:

1— шнек; 2 —цилиндрэкструдера;З и4 —фильтрующие сетка ирешетка; J — дорн; 6 —оформляющая головка; 7— электрические нагреватели; 8 —охлаж­ дающее устройство; 9—направляющие ролики; 10—захватывающие валики; 11 —барабан

держивается в пресс-форме под давлением до полного отвердения термореактивного материала, после чего извлекается из формы. Лис­ товой и пленочный термопластичный материал прессуется с помо­ щью сжатого воздуха или вакуума.

Схемы пневмоформования и вакуум-формования показаны на рис. 9.9.

Литьепластмассподдавлением характеризуется высокой произво­ дительностью, а получаемые изделия — высокой точностью и повы­ шенной чистотой поверхности. Этот метод, которым обычно перера­ батываюттермопластичные материалы, основан на нагреве полимера до вязкотекучего состояния и последующем охлаждении расплава под давлением в пресс-формах литейных машин (рис. 9.10). Технология

Рис. 9.8. 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

а б

Рис. 9.9. Схема пневматического (а) и вакуумного (б) прессования: 1 — матрица; 2 — изделие

позволяет получать детали массой от нескольких десятков граммов до 100 кг.

Методом спекания изготавливают изделия из термопластов с вы­ сокой температурой плавления и большой вязкостью расплава.

Для получения композитов используют технологию формования ручной кладкой с применением оборудования для напыления, в ко­ торое входят устройства для подачи смолы, катализатора, рубленого волокна и распылительные устройства с различными видами сме­ шивания компонентов (наружным, внутренним и безвоздушным).

Напылениепластмассовыхпорошковосуществляют с использовани­ ем газопламенных горелок (рис. 9.11). Непрерывные производствен­ ные процессы предусматривают применение роботизированных авто­ матов для напыления (рис. 9.12). Изделия из волокнистых ПКМ изго­ тавливают прямым и литьевым прессованием, литьем под давлением. Предварительная намотка волокон осуществляется на вращающуюся

Рис. 9.12. Трехкоординатный роботизированный автоматдля напыления: 1т привод продольного перемещения; 2 — форма; 3 — распылительное со­ пло; 4 — поворотная головка; 5 — подача стекловолокна; 6 — привод верти­ кального перемещения; 7— привод поперечного перемещения; 8 — кабель; 9 —подача смолы; 10—ленточные программоносители

щего используют эпоксидные смолы. Производство профильныхизде­ лий из волокнистых пластиков аналогично экструзии термопластов. Этот процесс называется пултрузия и осуществляется на специальных машинах для изготовления труб и изделий сложного профиля.

9.4. Резиновыематериалы

Резины представляют собой продукт вулканизации каучука в смеси с добавками и наполнителями. Под вулканизацией понимают процесс сшивки макромолекул каучука в пространственно-сетчатую структу­ ру с целью получения высокоэластичного материала. Основой рези­ ны является каучук натуральный или синтетический. Подавляющее большинство резиновых материалов производится на основе синте­ тических каучуков (известно около 250 видов). Наиболее важное практическое применение имеют каучуки бутадиеновые, бутадиенсти-