ПРЕДИСЛОВИЕ

Потребность в изделиях мебели с каждым годом возрастает, повы­шаются требования к ее качеству, комфортности, дизайну. Решить эти задачи невозможно без интенсификации производственных процессов на основе применения новых прогрессивных материалов и внедрения более современных технологий и оборудования на их основе.

За последние годы в мебельном производстве расширен ассортимент материалов на основе полимеров, и доля их в общем объеме потреб­ляемых материалов неуклонно возрастает. Их используют в качестве конструкционных, настилочных, облицовочных, отделочных и клеевых. В СССР и за рубежом ведутся работы по повышению качества этих мате­риалов, усовершенствованию технологии и используемого при этом оборудования.

Так, наряду с использованием в качестве конструкционных монолит­ных материалов (ударопрочного полистирола, поливинилхлорида и т.п.) внедряют подвспененные и наполненные композиции на их основе, что позволяет снизить расход дорогостоящих дефицитных полимеров и по­высить качество получаемых изделий.

Разработка и применение новых марок пенополиуретана на простых полиэфирных холодного формования, в том числе и блочного, изготов­ляемого на специализированных предприятиях, дает возможность выпус­кать более комфортабельные изделия мягкой мебели и экономить ре­сурсы ценного сырья.

Широкое внедрение в качестве облицовочного материала различных пленок на основе бумаг, пропитанных синтетическими смолами, в том числе и рулонных с финиш-эффектом, значительно повышает произво­дительность труда, степень механизации и автоматизации производствен­ных процессов.

Внедрение новых лакокрасочных материалов ускоренного отвержде­ния не только интенсифицирует процесс образования лаковой пленки, но и снижает трудозатраты на операциях отделки, обусловливает исполь­зование более совершенных технологий и оборудования, способствует улучшению качества мебели.

Новые клеевые материалы обеспечивают ускорение процессов склеи­вания, увеличение прочности клеевых соединений и внедрение поточных методов производства.

В данной книге систематизированы и обобщены результаты отечест­венных и зарубежных научно-технических достижений и производствен­ный опыт внедрения наиболее широко применяемых и перспективных материалов на основе полимеров, используемых в мебельной промыш­ленности.

Основные понятия химии и физикохимии полимеров краткие сведения о полимерах

Полимерные материалы изготавливают из натуральных высокомолекулярных соединений (например, целлюлозы, белковых веществ) и из низкомолекулярных веществ (например, природного газа, нефти, угля и др.) путем химических реакций (синтеза).

Молекулы полимеров состоят из большого числа одинаковых струк­турных звеньев, связанных между собой химическими связями. В моле­куле полимера химически связаны и закономерно повторяются остатки исходного вещества — мономера. Большая молекула полимера называет­ся макромолекулой. Свойства полимеров определяются химическими составом, строением молекул, средней молекулярной массой и молеку­лярной неоднородностью, взаимным расположением молекул (физичес­кой структурой) и т.д.

По типу звеньев в цепях полимеры подразделяются на гомо-и гетеро-полимеры (сополимеры). Макромолекулы гомополимеров состоят из одинаковых элементарных звеньев. Название таких полимеров скла­дывается из названия мономера и приставки "поли", например полиэти­лен, полистирол и т.п. Макромолекулы сополимеров (совместных поли­меров) состоят из двух или более различных элементарных звеньев. В этом случае название включает наименование всех звеньев, например сополимер бутадиена и стирола.

Мономеры могут реагировать друг с другом с образованием макро­молекул полимеров линейного, разветвленного и пространственного (сетчатого) строения.

Макромолекулы линейных полимеров представляют собой длинные цепи. Если звено мономера обозначить, М, то схематически линейный по­лимер можно представить следующим образом: ... -М-М-М-М-М-... .

Линейные, полимеры могут быть гомополимерами и сополимерами. Последние могут быть с регулярным или беспорядочным чередованием звеньев: ...-М₁-М₁-М₂-М₁-М₁-М₂-М₁-М₁-...; ...-M₁-M₂-M₁-М₁-М₁-М₂-М₁-М₂-… . Линейные полимеры, в основном плав­кие вещества, имеют высокие показатели физико-механических свойств.

Макромолекулы разветвленных полимеров представляют собой длинные цепи, у которых имеются ответвления, число и длина которых могут варьироваться в широких пределах. Схематически разветвленный полимер можно представить следующим образом:

… - М – М – М – М – М – М – М - …

| |

М М

| |

М М

| |

В макромолекулах разветвленных полимеров различают главную цепь, построенную из большого числа звеньев, и боковые цепи, длина которых, как правило, меньше длины главной цепи. Разветвленные полимеры так же, как и линейные, могут быть гомополимерами и сопо­лимерами. Наибольший интерес представляют так называемые привитые полимеры, у которых главные цепи построены из звеньев одного моно­мера, а боковые - из звеньев другого:

… - М₁ – М₁ – М₁ – М₁ – М₁ – М₁ – М₁ - … ,

| |

М₂ М₂

| |

М₂ М₂

Например … - СН₂ – СН – СН₂ – СН – СН₂ - … (регулярный полихлорвинил).

| |

Cl Cl

Разветвленные полимеры представляют собой в основном порошко­образные растворимые вещества (например, крахмал). При растворении они почти не набухают, их растворы имеют невысокую вязкость.

Макромолекулы пространственных (сетчатых) полимеров построены из длинных цепей, соединенных поперечными химическими связями. Иногда их называют трехмерными полимерами. Трехмерные полимеры не плавятся и не растворяются. Поперечные связи могут при этом обра­зовываться непосредственно между атомами углерода соседних макро­молекул или с атомами или радикалами специально добавляемых хими­ческих веществ — отвердителей. Химические связи в молекулах поли­меров прочно удерживают все атомы в основной цепи молекул, допус­кая возможность больших и меньших поворотов отдельных участков относительно друг друга. Это обеспечивает гибкость молекулы при ее большой длине.

Структура полимера может быть кристаллической и аморфной. В кристаллических полимерах всегда имеется аморфная часть. Кристал­лические полимеры имеют упорядоченное расположение цепей и звень­ев. Наличие кристаллической фазы повышает показатели физико -механи­ческих свойств полимера. Наличие аморфной фазы снижает жесткость полимера. Степень кристалличности полимеров не превышает 90 %.

Аморфное состояние полимера - стеклообразное, переход в это состояние называется стеклованием.

Температура деструкции (разложения) полимерных материале в отличие от низкомолекулярных веществ ниже температуры кипения;; При нагревании они разлагаются, не переходя в парообразное состояние; Полимеры могут находиться в твердом состоянии (кристаллическом или стеклообразном) и жидком вязкотекучем состоянии. Кроме того, также в отличие от низкомолекулярных веществ они могут существо­вать и в высокоэластичном состоянии, которое относится к твердому агрегатному состоянию.

Переход полимера из одного физического состояния в другое проис­ходит не при какой-то определенной температуре, а в некотором темпе­ратурном интервале. Температуру перехода из стеклообразного состоя­ния в высокоэластичное (и обратно) называют температурой стеклова­ния или размягчения. Температура перехода из высокоэластичного сос­тояния в вязкотекучее состояние (и обратно) называется температурой текучести.

По поведению при нагревании полимерные материалы делятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, при охлаж­дении затвердевают. Они обладают способностью при многократном нагревании и охлаждении размягчаться, плавиться и вновь затвердевать. При этом свойства и строение термопластичных полимеров после нагре­вания и обратного охлаждения не меняются.

Термореактивные полимеры при нагревании меняют свои свойства и строение, в результате чего переходят в твердое неплавкое состояние. Повторный нагрев не приводит к пластичности. Показатели механичес­ких свойств термореактивных полимеров, как правило, выше, чем термопластичных.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных соеди­нений (мономеров) путем реакций полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация - основной метод синтеза полимеров. По этой реак­ции ненасыщенные молекулы мономера, т.е. содержащие двойные или тройные связи, соединяются друг с другом с сохранением элементарного состава без выделения побочных продуктов. Реакция осуществляется путем раскрытия двойных и тройных связей ненасыщенных соединений или размыкания гетероциклов:

nМ → [М]_n,

где М – молекула мономера; n – число молекул мономера в макромолекуле (степень полимеризации).

Примером реакции полимеризации является реакция образования поливинилхлорида: nСН₂ =СНСl → [–СН₂ – СНС1 –]_n.

В результате реакции мономеров с двумя или несколькими двой­ными связями получаются двух- и трехмерные полимеры.

Молекулы мономера соединяются друг с другом за счет раскрытия двойных связей: n(CH₂=CH₂) → (– СН₂ – СН₂ –)_n.

В результате сополимеризации, т.е. совместной полимеризации двух или более различных мономеров, получают сополимеры, макромоле­кулы которых содержат звенья всех мономеров, участвующих в реакции. Свойства сополимера не являются простой суммой свойств отдельных мономеров. Подбирая различное соотношение мономеров, можно в ши­роком диапазоне изменять свойства синтезируемых сополимеров.

Процесс полимеризации может быть цепным и ступенчатым. Цепная полимеризация состоит из трех стадий: возбуждения (инициирования), роста цепи и обрыва цепи. Известно два вида цепной полимеризации: радикальная (инициированная) и ионная (каталитическая).

Радикальная полимеризация. При радикальной поли­меризации образуются свободные радикалы, которые затем взаимодей­ствуют с молекулами мономера.

Различают химическое и физическое (фотоинициирование, радиа­ционное и термическое) инициирование.

При химическом инициировании в среду мономера вводят инициа­торы, легко распадающиеся на свободные радикалы под влиянием тепла или света. В качестве инициаторов в основном применяют перекисные и гидроперекисные соединения. Распад перекисных инициаторов уско­ряется в присутствии небольшого количества активаторов (промото­ров), образующих с ними окислительно-восстановительные системы. При инициировании с применением таких систем требуется меньше энергии, чем при термическом распаде инициатора, поэтому процесс полимеризации протекает при комнатной и пониженной температурах.

Перекиси и гидроперекиси играют роль окислителей, а восстанови­телями являются соли металлов переменной валентности (кобальта, меди, железа, ванадия) в наименьшем значении.

Процесс активации мономера начинается с распада инициатора и обра­зования свободных радикалов, которые взаимодействуют с мономером.

Рост цепи, осуществляемый путем последовательных присоединений молекул мономера к образовавшимся радикалам, происходит быстро, с выделением тепла и заканчивается обрывом цепи макрорадикала в результате соударения двух растущих макрорадикалов. По мере роста цепей макрорадикалов увеличивается вязкость системы и уменьшается их подвижность. Это затрудняет обрыв цепей, в результате общая ско­рость полимеризации возрастает.

Аналогичен механизм полимеризации с инициированием физическими способами. Фотоинициирование полимеризации происходит при освещении мономера светом ртутной лампы. Молекула мономера поглощает квант света и переходит в возбужденное энергетическое состояние. Соударяясь с другой молекулой мономера, она передает ей часть своей энергии. В результате обе молекулы превращаются в свободные радика­лы, которые, взаимодействуя с мономером, вызывают реакцию полиме­ризации. Скорость фотополимеризации зависит от интенсивности облу­чения и не зависит от температуры.

Радиационное инициирование полимеризации заключается в воздейст­вии на мономеры излучений высокой энергии (γ-лучи, быстрые электро­ны, α-частицы и др.). По своему механизму оно аналогично фотоинициированию.

Преимущество этих способов заключается в том, что полимеризация протекает при низких температурах.

Термическое инициирование заключается в самоинициировании чистых мономеров при высоких температурах без введения в реакцион­ную среду специальных инициаторов. Этот способ требует больших затрат энергии, а скорость полимеризации, как правило, невысока.

Ионная полимеризация протекает под влиянием ионных катализаторов обычно с большей скоростью, чем радикальная, и обра­зуются полимеры с большей молекулярной массой. При полной поли­меризации подбором соответствующих катализаторов и растворителей можно влиять на ход процесса, тогда как при радикальной природа и количество инициатора влияют только на начальную стадию процесса.

Различают катионную и анионную полимеризацию. Катионная проте­кает под действием веществ, способных принимать электроны (кислоты, галогены и т.п.), анионная — под действием веществ, склонных отдавать электроны (щелочные металлы, щелочи, металлоорганические соеди­нения и т.п.).

Ступенчатая полимеризация заключается в том, что при реакции двух мономеров получается димер, который, в свою очередь присоединяя мономер, образует тример и т.д. При этом образующиеся промежуточные соединения являются достаточно устойчивыми, что позволяет выделить их в свободном виде.

Реакция ступенчатой полимеризации может быть выражена таким же общим уравнением, как и реакция цепной полимеризации: nM→Мn. В ступенчатой полимеризации могут принимать участие молекулы раз­ных мономеров. Примером ступенчатой полимеризации является взаимодействие полиизоционатов с диолами с образованием полиуретанов.

Поликонденсация представляет собой соединение молекул простых веществ, в результате которого образуются высокомолекулярные соединения, сопровождающиеся выделением побочных низкомолеку­лярных продуктов, как вода, формальдегид, аммиак и др. Образую­щиеся высокомолекулярные соединения (синтетические смолы) по сос­таву и свойствам принципиально отличаются от исходных компонентов реакции. Поликонденсация по ступенчатому характеру образования по­лимера имеет сходство со ступенчатой полимеризацией, так как реакция протекает через последовательное образование димеров, тримеров и т.д. Основное отличие заключается в том, что в ходе поликонденсации выде­ляются низкомолекулярные продукты.

Для начала реакции поликонденсации требуется энергия извне, обыч­но эти реакции протекают в присутствии катализаторов. Скорость реак­ции зависит от температуры, природы и количества катализатора.

Процесс поликонденсации обратим. Одновременно с прямой реакцией, ведущей к образованию высокомолекулярных соединений, идет обрат­ная реакция, в которой они взаимодействуют с образующимися низко­молекулярными соединениями, в результате чего протекает реакция гидролиза, приводящая к расщеплению макромолекулы полимера.

Скорость прямой и обратной реакции зависит от многих факторов. Когда скорости становятся одинаковыми, наступает равновесие и дальнейший процесс поликонденсации прекращается.

Процесс поликонденсации можно прервать на любой стадии, а затем продолжить и завершить через определенный промежуток времени, создав соответствующие условия. Это свойство широко используется при получении всех видов синтетических смол.

ПЛАСТМАССЫ

В промышленности, в том числе и в производстве мебели, полимеры в чистом виде без добавок практически не применяются.

Материалы на основе полимеров, содержащие различные целевые добавки, для получения определенного сочетания свойств называются пластмассами. Кроме полимеров, в состав пластмасс могут входить в качестве компонентов наполнители, отвердители, пластификаторы, мягчители, красители, стабилизаторы и т.д. Таким образом, пластмассы обычно представляют собой сложную композицию различных веществ, основным из которых является полимер, выполняющий роль связую­щего и определяющих основные техшиеские свойства материала.

В зависимости от эластичности пластмассы делят на три группы: жест­кие (модуль упругости — 700 МПа), полужесткие (70 . . . 700 МПа) и мягкие (до 700 МПа).

Добавки, вводимые в пластмассы, выполняют различные функции.

Наполнители обычно вводят для улучшения внешнего вида изде­лий из полимера, повышения показателей физико-механических и хими­ческих свойств, а также для снижения стоимости изделий.

Различают инертные и усиливающие наполнители. Инертные наполни­тели не оказывают влияния на физико-механические свойства компо­зиции и лишь снижают ее стоимость, а в ряде случаев облегчают их переработку. Усиливающие наполнители повышают механическую прочность полимерных материалов.

Наполнители бывают газовые, порошковые, волокнистые и слоистые. В качестве газовые наполнителей применяют воздух, азот и другие газы, в качестве порошковых - древесную муку, графит, тальк, цемент и т.п. Волокнистыми наполнителями служат различные волокна (асбестовые, льняные, стеклянные и др.), слоистыми — ткани, шпон, бумага.

В табл. 1 приведены данные, показывающие влияние наполнителей на прочностные свойства полимера.

Отвердители способствуют переходу линейных полимеров в пространственные. В качестве отвердителей применяют перекиси, кис­лоты, щелочи, соли.

Стабилизаторы повышают устойчивость полимерных мате­риалов к действию тепла, света, атмосферным воздействиям и т.д. т.е. удлиняют срок службы полимеров. Количество стабилизатора не превышает 2-3 %, обычно их вводят в долях процента. Хорошим термо - и светостабилизатором является сажа.

Таблица 1. Прочность полимеров с различными наполнителями

Материал	Прочность, МПа ·105
	растяжению	изгибу	удару
Фенолоформальдегидный полимер:
без наполнителя	343,35	735,75	1,1772
с древесной мукой	392,40	784,80	4,5126
с асбестовым волокном	343,35	784,80	26,4870
со стеклотканью (текстолит)	2746,80	1765	10-3

Пластификаторы вызывают набухание полимеров, в резуль­тате чего повышаются его пластичность, морозостойкость, снижаются усадочные напряжения и деформации, повышается сопротивление удар­ным нагрузкам. Введение пластификаторов в полимер способствует ослаблению межмолекулярного взаимодействия, благодаря чему повы­шается гибкость макроцепей. Величина этого эффекта, как правило, определяется количеством введенного пластификатора.

От выбора пластификатора во многом зависят свойства пластмасс и их певедение в" условиях эксплуатации. Применяют жидкие или смолообразующие пластификаторы. Из жидких пластификаторов применяют дибутил- и диактифталаты, трифенил- и трикрезилфосфаты и др. из смолообразных - высокоэластичные пдлимеры - каучуки (полисульфид-ный, полиизобутилен и др.).

Модификаторы позволяют направленно изменять физические, механические или химические, свойства полимеров, например снизить их хрупкость, горючесть, склонность к старению и т.д.

В качестве мвдификаторов могут применяться твердые, жидкие игазообразные вещества минерального и органического происхождения, например хлор, кислоты, природные смолы, битулен, растительные масла и т.д.

Мягчител и в отличие от пластификаторов действуют как инерт­ные разбавители, повышая мягкость, гибкость и эластичность полимеров.

Антипирены снижают горючесть полимеров.

Порофоры (газообразователи) образуют газы, необходимые для получения газонаполненных пластмасс (пено- и поропластов). При помощи их создается ячеистая структура. Они могут быть твердыми, жидкими, и газообразными. Твердые порофоры выделяют газ при нагревании или химических реакциях с компонентами пластмасс (например, карбонат и бикарбонат натрия и т.п.). Жидкие порофоры способствуют образованию ячеистой структуры при испарении (изо-пентан, фреон, бензол и др.). В качестве газообразных применяют воз­дух, инертные газы.

Антистатики уменьшают электролизацию полимеров в процессе переработки.

Красящие вещества окрашивают пластмассы. Их подразделяют на пигменты и красители. Пигменты не растворяются ни в каких растворителях, красители — растворимые вещества. Как правило, окра­шивание производят добавлением красящих паст в пластмассу перед переработкой или окрашиванием в процессе синтеза полимера.

Пластмассы могут быть монолитными и газонаполненными (ячеис­той структуры).

Газонаполненные пластмассы, в отличие от монолитных, физически неоднородны и представляют собой материал с системой изолированных или сообщающихся ячеек. Их подразделяют на пено- и норопласты. В пенопластах полимер образует систему изолированных ячеек, содержащих газ и разделенных тонкими стенками. По своей структуре они напоминают затвердевшую пену. Плотность пенопластов 0,03...0,3 г/см³. В поропластах полимер образует системы сообщаю­щихся ячеек, заполненных газом. Плотность поропластов 0,3 г/см³ и больше. Однако получить газонаполненные пластмассы с одним видом ячеек не удается.

Газонаполненные пластмассы могут быть жесткими, полужесткими и эластичными. Они обладают ценными свойствами, основные из кото­рых – чрезвычайная легкость при относительно высокой прочности и низкая теплопроводность. Так, масса 1м³ пластмассы составляет всего 15...20 кг, а теплопроводность слоя пенопласта толщиной 2,5 см раина теплопроводности древесины толщиной 15 см.

Получение вспененных полимеров включает стадию введения или образования газовых пузырьков в реакционной системе. Образование газовой фазы может осуществляться двумя путями: воздух захватывает­ся жидкой фазой при перемешивании или газовая фаза образуется за счет реакции полимеризации, испарения низкокипящих растворителей, термического разложения парофоров и т.д.

Давление газа в пузырьках больше, чем в окружающей жидкости. При этом чем меньше диаметр пузырьков, тем большее давление возни­кает в них, поэтому газ стремится диффундировать из маленьких в боль­шие пузырьки. Полидисперсность пены способствует ее разрушению за счет диффузии газа из маленьких пузырьков в большие.

Диффузионное разрушение пены увеличивается с уменьшением тол­щины стенки ячеек. В начале пенообразования газовые пузырьки имеют шарообразную форму, но когда жидкой фазы становится меньше 25 %, пузырьки принимают форму многогранников.

Вспененные пластмассы получают из водных растворов (пенорезину на основе латексов), из почти безводных относительно низковязких систем (пенополиуретаны), из расплавов полимера (пенополиолефины, пенополистирол).

Стабильность пузырьков пены в процессе их роста обусловлена элас­тичностью и реологическими свойствами образующей их пленки. Важной характеристикой пенопласта является соотношение числа открытых и закрытых ячеек в нем, которое влияет та показатели физико-меха­нических свойств (водопоглощение, теплоизоляционные и другие харак­теристики) .

Макроструктура пеноматериалов характеризуется следующими пара­метрами: линейными размерами ячеек, степенью их вытянутости и ориен­тацией по отношению к направлению вспенивания, степенью замкнутос­ти, кажущейся плотностью пенопласта, толщиной стенок, давлением газа внутри ячеек и т.д.

Количество полимера-основы в пенопласте оказывает влияние на кажущуюся плотность материала. Так, в пеноматериале с низкой кажу­щейся плотностью объемное содержание полимера составляет менее 5 %. Полимер распределяется в виде тяжей и тонких оболочек, образуя ячей­ки, заполненные газом.

Структура иенопластов характеризуется значительной неоднород­ностью, что приводит к разбросу физико-механических показателей. Так, даже у образцов, вырезанных из одного блока отклонения кажу­щейся плотности, степени замкнутости, вытянустости и размеров ячеек достигают 15 % и более.

Пенопласты, как правило, горючи. Их классифицируют по коэффи­циенту горючести К (отношению количества тепла, выделяемого образ­цом при горении, к количеству тепла, подведенному к образцу во время испытания) следующим образом: К>1 — негорючие;

К= 0,1...0,5 — трудногорючие; К < 0,5 — горючие;. К> 2,1...2,5 трудновоспламеняющиеся.

Пенопласты можно разделить на две основные группы: 1) пенопласты на основе термопластичных смол, размягчающихся при повторном нагреве (на основе полистирола и полихлорвинила); термопластичные полимеры вспениваются в высокоэластичном состоянии в присутствии газообразователя; 2) пенопласты на основе термореактивных смол, отверждающихся при вспенивании и не размягчающихся при повторном Нагреве (фенолоформальдегидных, полиуретановых и др.).

К пенопластам, используемым в производстве мебели, предъявляются более высокие требования, чем к пенопластам, применяемым в строительстве. Основное из них — обеспечение необходимой жесткости изделий при минимальной затрате материалов. Срок службы в закрытых помещениях должен быть не менее 20 лет.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимерные материалы, применяемые в производстве мебели, долж­ны обладать соответствующими физико-механическими, технологически­ми и эксплуатационными свойствами.

Объемная масса - масса единицы объема материала, взятого в естественном состоянии, т.е. с порами и включениями. Объемную массу , кг/м³, вычисляют по формуле;

γ=m/V,

где m - масса материала, кг; V – объем,м³.

Объемная масса изделий из пластмасс колеблется в широких пределах: от 10 до 2200 кг/м³ и более, но основная группа пластмасс имеет объемную массу до 400 кг/м³.

Плотность — масса единицы объема материала, взятого в плотном состоянии, без пор. Плотность, кг/м³ (г/см³), вычисляют по фор­муле;

р =т/V_a,

где т - масса материала, кг (г); V_а - объем материала в абсолютно плотном состоянии, м³ (см³).

Для монолитных пластмасс (например, полиэтилена) значения объем­ной массы и плотность совпадают.

Пористость, степень пористости материала, характеризуется наличием пор в материале и показывает, какая часть его занята порами. Пористость, %, вычисляют по формуле;

П=1-(γ/ρ),

где γ - объемная масса, кг/м³; ρ - плотность материала.

Теплопроводность - способность материала пропускать тепловой поток, образующийся вследствие разности температур на его поверхностях. Характерной особенностью многих полимерных материалов является их низкая теплопроводность, что является поло­жительным фактором.

Коэффициент теплопроводности, Вт/м °С, определяют по формуле;

λ= ,

где Q - количество тепла, проходящего через материал, кал; а - толщина материа­ла, см; F - площадь поверхности материала, см² ; t - время прохождения теплово­го потока, с; (Т₁-Т₂) - разность температур на противоположных сторонах ма­териала, °С.

Для пористых пластмасс λ=0,03 Вт/м °С, для большинства плотных пластиков λ=0,23 ... 0,69 Вт/м °С.

Долговечность — срок работы пластмасс в условиях эксплуа­тации без изменения технических свойств, установленных соответствую­щими нормативами. Понятия долговечности и старения пластмасс взаи­мосвязаны.

При хранении и переработке полимерных материалов, а также эксплуатации изделии из них, полимеры подвергаются воздействию тепла, света, кислорода, механических нагрузок, агрессивных химических агентов и т.п. Действуя раздель­но или в совокупности эти факторы вызывают в полимере необратимые химичес­кие реакции - д е с т p^Jy к ц и ю. При этом изменяются эксплуатационные свойст­ва полимеров: теряется эластичность, снижается механическая прочность, повышает­ся жесткость и хрупкость, изменяется цвет и гладкость поверхности. Изменение во времени свойств полимеров и изделий из них называют старением.

Деструкция полимеров представляет собой разрушения основной цепи макро­молекулы. Стойкость полимеров к деструкции зависит от их химической структу­ры, формы макромолекул, степени кристалличности и т.д. Различают физическую и химическую деструкции.

К физической деструкции относят механическую, термическую, термоокисли­тельную, фотохимическую, радиационную. Механическая деструкция - разрыв цепи под влиянием различных механических воздействий - происходит, когда механические напряжения превышают энергию связей атомов в полимере. Терми­ческая деструкция - разрыв цепи под влиянием тепловой энергии. Термоокисли­тельная деструкция - процесс разрушения макромолекул при совместном дейст­вии на полимеры повышенных температур и кислорода. Фотохимическая деструк­ция - разрыв цепей под влиянием световой энергии, особенно ультрафиолетового излучения. Радиационная деструкция - разрыв цепей под действием излучения высокой энергии (рентгеновских, α-, β-, γ-излучений).

Химическая деструкция протекает под действием различных химических аген­тов. Глубина деструкции зависит от природы и количества реагента, условий его воздействия. Химической деструкции чаще всего подвергаются полимеры, эксплуа­тирующиеся в агрессивных средах.

Для придания устойчивости против старения в композиции вводят стабилизи­рующие добавки.

Так как срок службы пластмасс не постоянен и зависит от условий эксплуа­тации, то для большинства изделий с применением пластмасс на открытом воздухе, где они подвергаются солнечной радиации и атмосферным воздействиям, он значи­тельно меньше, чем при эксплуатации в закрытых помещениях.

Как указывалось выше, наибольшее изменение механических свойств пластмасс происходит при совместном действии атмосферы, солнечного света и тепла. Разработаны специальные методы определения атмосферо- и светотеплостойкости пластмасс (ГОСТ 10226-62);

Атмосферстойкость определяется с помощью специальных открытых стендов, на которых опытные образцы испытывают в течение длительного времени. Одновременно в закрытых помещениях хранят контрольные образцы.

Светотеплостойкость определяется с помощью лабораторного видеометра, в котором образцы подвергаются воздействию света заданной интенсивности от угольных дуговых ламп при соответствующей температуре в течение определенного времени.

Атсосферостойкость и светотеплостойкость оценивают по изменению показателей свойств. В качестве критерия принимают показатели контрольных образцов. При изменении механических свойств сверх установленных пределов, внешнего вида, массы, линейных размеров и т.д. исключается возможность применения материала.

Т ермостойкость — способность материала сохранять свое агрегатное состояние при нагревании. Термостойкость пластмасс колеблется широких пределах температур. Термореактивные пластмассы сохраняют стабильность формы при температурах до 125 °С. Термопласты при повышении температуры приобретают пластическое состояние, при котором возможно их формование. При более высоких температурах (характерных для каждого материала) наступает разрушение молекулярных связей.

Механическая прочность - способность материала сопротивляться разрушению от напряжений, возникающих под действием внешних нагрузок. Она характеризуется пределом прочности при сжатии, растяжении, ударной нагрузке, статистическом изгибе. Механическую Прочность, Н/м², определяют по формуле;

B=P_max /S

где P_max – разрушающая сила, Н;S– площадь образца, м².

Большинство пластмасс (особенно с листовыми наполнителями) обладают весьма высокой механической прочностью. Они хорошо сопротивляются сжимающим и растягивающим усилиям, а также ударным воздействиям.

Важной характеристикой материала является коэффициент конструктивного качества,или коэффициент прочности, который представляет собой отношение прочности материала к его объемной массе. Пластмассы (особенно слоистые пластики) обладают высоким коэффициентом конструктивного качества. Например, для древесины сосны он составляет 0,7, для стеклопластика - 2,2, для ненополистирола - 0,2.

При выборе материала для того или иного изделия учитывают его прочностные показатели: предел прочности при растяжении, сжатии, изгибе, ударную вязкость, прочность на удар.

Из многочисленных свойств, характеризующих пластмассы, прочность и деформационные свойства являются одними из основных, поскольку обеспечивают сохранения формы и размеров изделий при действии внешних нагрузок.

Деформация — способность материала изменять форму под действием внешних сил. Деформация может быть обратимой и необра­тимой. При обратимой деформации после устранения внешних сил; первоначальная форма полностью восстанавливается. Материалы, способ­ные к обратимой деформации, называются упругими или эластичными.

Упругость - способность материала деформироваться под дейст­вием нагрузки и быстро восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия ее.

Ползучесть - способность материала необратимо деформиро­ваться под длительным воздействием собственной массы. Повышенная ползучесть полимерных материалов является отрицательным свойством при использовании их в качестве конструкционных материалов. Следует учитывать, что ползучесть резко возрастает даже при незначительном повышении температуры.

Твердость - способность материала сопротивляться вдавлива­нию в него другого, более твердого тела. Отличительной особенностью полимерных материалов является весьма малая поверхностная твердость. Это также является существенным их недостатком, который следует принимать во внимание при использовании пластмасс в качестве конст­рукционных материалов.

Сопротивление истиранию - способность материала сопротивляться истирающим нагрузкам, вызывающим разрушение его поверхности путем постепенного отрыва мелких частичек. Истираемость характеризуется величиной потери массы, отнесенной к 1 см² площади истираемого образца. Определяется с помощью приборов ВНИИКа, МИ-2 и др. Большинство полимерных материалов хорошо сопротив­ляются истирающим усилиям, что особенно ценно при изготовлении от­делочных материалов для покрытия мебельных деталей.

Адгезия - сопротивление отрыву одной поверхности твердого тела от другой, находящихся в контакте с использованием клея. Вели­чина адгезии имеет большое значение для полимерных клеев, применяе­мых при производстве мебели.

Стойкость к действию агрессивных сред — устойчивость материалов к действию кислот, щелочей; спиртов и других химических реагентов. Большинство пластмасс не требуют дополнительной защиты поверхности от действия химических веществ.

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разрушения при пожарах совместное действие высоких температур и воды. Пластмассы в большинстве своем не огнестойки.

Биостойкость - способность материала противостоять пораже­нию грибами и насекомыми. Как правило, большинство пластмасс об­ладают высокой биостойкостью.

Физиологические свойства — способность материала не. оказывать вредного воздействия на здоровье человека. Не все пластмас­сы гигиеничны и физиологически безвредны. Некоторые полимерные материалы могут выделять во внешнюю среду вещества, вредно влияю­щие на здоровье человека. Это происходит вследствие незавершенности процесса полимеризации. Оставшиеся в свободном состоянии токсичные мономеры могут выделяться в окружающую среду. Токсичные свойства пластмасс необходимо строго учитывать с санитарно-гигиенической точки зрения при применении их в мебельном производстве.

Технологические свойства - свойства полимерных мате­риалов, характеризующиеся, с одной стороны, податливостью их к пере­работке в изделия, с другой - легкостью механической обработки деталей и изделий из них на станках.

Большинство пластмасс легко поддаются переработке методами литья, горячего прессования, экструзии и т.д.

При переработке пластмасс необходимо учитывать следующие их свойства: реологические, характеризующие способность материала течь и формоваться, уса­дочные и способность потока расплава сращиваться в одно целое.

При формовании изделий структура материала, как правило, не успевает достичь равновесного состояния по окончании процесса, поэтому при резком охлаждении отформованного изделия образуется неравномерная структура. Дли­тельность установления равновесной структуры в расплаве даже при очень высоких температурах существенно больше длительности процесса формования, особенно в условиях таких высокопроизводительных способов переработки, как литье под давлением и экструзия. Поэтому после формования, как правило, требуется техно­логическая выдержка изделий.

Пластмассы технологичны. Они хорошо обрабатываются механически­ми способами, легко поддаются сверлению, фрезерованию, строганию и т.п. Кроме того, пластмассы режутся, прочно склеиваются и свариваются, способны легко окрашиваться. Поверхность изделий из пластмасс, полу­ченных путем литья или горячего прессования, не требует дополнитель­ной обработки. Высокие декоративные свойства пластмасс, гладкая поверхность, не требующая полировки, выгодно отличают их от ряда других материалов при производстве мебели.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Применение полимерных материалов в производстве мебели позво­ляет резко повысить производительность труда, максимально механизи­ровать и автоматизировать процессы производства, применять более прогрессивную технологию, увеличить коэффициент использования материалов, повысить съем продукции с 1 м² производственной площа­ди, заменить дефицитные традиционные материалы, в первую очередь древесину, в ряде случаев улучшить санитарно-гигиенические условия труда, снизить пожароопасность.

Основными недостатками пластмасс по сравнению с древесиной яв­ляются старение и ползучесть пластмассовых деталей и выделение при го­рение пластмасс таких ядовитых веществ, как угарный газ, цианистые соединения и др. Старение происходит под влиянием ультрафиолетового облучения, воздействием повышенных температур, влаги, кислорода воздуха и других факторов. В подавляющем большинстве случаев, как уже указывалось, при старении физико-механические свойства пластмасс ухудшаются.

Ползучесть пластмассовых деталей отрицательно сказывается на эксп­луатационных свойствах деталей, особенно выполняющих несущие функции, так как в результате могут развиваться большие деформации, превышающие допустимые нормы и исключающие возможность дальнейшего использования этих деталей.

Все это необходимо учитывать при выборе пластмасс для использо­вания их в производстве мебели.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕБЕЛИ

Применение в производстве мебели конструкционных полимерных материалов чрезвычайно эффективно. При этом экономится дефицитная древесина, обеспечивается высокий коэффициент использования мате­риалов за счет применения безотходных методов переработки, внедряют­ся наиболее прогрессивные технологии, что в свою очередь приводит к повышению степени механизации и автоматизации производственных процессов, снижению трудозатрат. Кроме того, при использовании этих материалов совершенствуются конструкции мебели. По сравнению с традиционными материалами (в первую очередь с древесиной) пласт­массы позволяют дизайнеру создавать более удобную мебель, которая лучше отвечает современным требованиям. Если мебель из традицион­ных материалов чаще всего состоит из большого числа различных дета­лей, при использовании пластмасс возможно изготавливать мебель путем получения целыюформованных деталей.

При применении конструкционных полимерных материалов, как пра­вило, получается значительный экономический эффект. Однако сущест­вующая до настоящего времени ограниченность их ресурсов тормозит широкое применение полимерных материалов в производстве мебели. Поэтому эти полимерные материалы должны использоваться там, где в этом случае будут достигнуты максимальный экономический эффект и значительное повышение качества и эстетики изделий.

Расход пластмасс значительно меньше, чем расход древесины. Напри­мер, на изготовление 1 млн. ножек корпусной мебели расходуется около 800м³ черновых мебельных заготовок из древесины лиственных пород. На такое же количество ножек пустотелой конструкции из пласт­масс, разработанных и внедренных институтом "Укргипромебель", требуется около 120 т термопластических материалов.

При изготовлении конструкционных элементов мебели из пластмасс производительность труда возрастает в среднем в 8...12 раз, при изготовлении деталей со сложным декоративным рельефом - в 100...200 раз. При этом повышается культура производства, создаются усло­вия для глубокой специализации, централизованного массового изго­товления элементов мебели с обеспечением стабильного высокого качества.

ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Для изготовления конструкционных элементов мебели применяются термопластичные (полиэтилен низкою давления, полипропилен, ударо­прочный полистирол, АБС-пластики, поливинилхлорид, полиамиды и др.) и термореактивные материалы (жесткие ППУ, аминопласты и т.п.).

Полиэтилен. В производстве мебели применяют полиэтилен низкого давления. Такое название он получил по методу его производства в от­личие от полиэтилена, получаемого при среднем к высоком давлении. Макромолекулы полиэтилена представляют собой цепи, состоящие в основном из звеньев этилена —СН₂—СН₂—.

Структура полиэтилена низкого давления представляет собой малоразветвленные цепи в отличие от полиэтилена высокого давления. Этим обусловлены его более высокие кристалличность (выше 90 %), плот­ность и прочность, стойкость к действию органических растворителей, морозостойкость, хорошая окрашиваемость в различные цвета.

Полиэтилен — твердый материал, белого цвета. Для замедления старения в него вводят стабилизаторы (ароматические амины, сажу).

Применяют полиэтилен в основном для элементов и изделий детской мебели, деталей стульев, кресел, опирающихся иа жесткий металличес­кий каркае, различных емкостей, крепежной фурнитуры.

В США в настоящее время разработаны и выпускаются упрочненные сорта полиэтилена. Этим объясняется резко возросшее там за последние годы применение его в производстве мебели (в 1980 г. свыше 30 тыс. т).

Полипропилен. [-СН₂ — СН]_n — продукт полимеризации пропилена

|

СН₃

(СН₃–СН–СН₂). Отличается от полиэтилена значительно большими механической прочностью и жесткостью. Химическая стойкость его ана­логична химической стойкости полиэтилена.

Детали из полиэтилена имеют красивый внешний вид, легкие. Стои­мость его невысока.

Полипропилен характеризуется невысокой морозостойкостью, при температуре –5 . . . –15 °С он становится хрупким, что является недостатком при транспортировке деталей в зимних условиях. Кроме того, он в значительно большей степени, чем полиэтилен, окисляется кислородом воздуха при повышенных температурах.

Полипропилен применяется для изготовления ящиков, совмещенных блоков сидений и спинок стульев, различных емкостей, фурнитуры, погонажных деталей и др.

Полистирольные пластики. Полимеры и сополимеры стирола (поли­стирол, ударопрочный полистирол, АБС-пластик, иенополистирол) — наиболее распространенные пластмассы. В мебельной промышленности в основном применяют ударопрочный полистирол (УПС), АБС-пластик, пенополистирол (ППС).

Полистирол [ –СН₂–СН–]_n – продукт полимеризации стирола

|

C₆H₅

[СН₂ = СН(С_бН₅) ]. Он представляет собой аморфный полимер с моле­кулярной массой 50000. . . 200000. Полистирол устойчив к действию химических реагентов, физиологически безвреден, но обладает относи­тельно высокой склонностью к старению, невысокими теплостойкостью и ударной прочностью. Поэтому в мебельном производстве монолитный полистирол практически не применяется.

Ударопрочный полистирол – один из основных конструк­ционных материалов. Представляет собой смесь полистирола с синтети­ческим каучуком. Обладает относительно высокими твердостью, проч­ностью к ударным нагрузкам и сопротивлением на разрыв. Стоек к действию повышенной и отрицательной температуры в интервале от +65 до -40 С. Применяется для изготовления ящиков, погонажных элементов, крепежной фурнитуры и т.д.

АБС-пластики - тройные сополимеры на основе акрилонитрила, бутадиена и стирола. Тройные сополимеры имеют высокую поверх­ностную твердость, стойкость к истиранию и химическим воздействиям, низкую деформацию под постоянной нагрузкой, малый коэффициент тер­мического расширения. Благодаря этим свойствам форма и размеры изделий мебели из АБС-пластиков не изменяются длительное время.

В СССР выпускается несколько марок АБС-пластиков. Для мебель­ной промышленности наибольший интерес представляют АБС-1 и АБС-2. АБС-1 обладает наибольшей жесткостью, твердостью и наименьшей ползучестью. Рекомендуется в основном для изготовления несущих элементов стульев, опор мебели и т.д. АБС-2 характеризуется высоким показателем текучести и способностью к металлизации. Целесообразен для изготовления крупногабаритных деталей, стульев, детской мебели, фурнитуры, подлежащей металлизации и т.д.

Пенополистирол (суспензионный вспенивающийся – ПСВ) — продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии порообразователя изопентана. Представляет собой пенопласт, состоящий из ячеек, заполненных воздухом. Пенополистирол обладает относительно высокими механической прочностью и твердостью поверхности при низкой кажу­щейся плотности (35 кг/см³). Применяется для изготовления каркасов кресел, декоративных элементов.

Поливинйлхлорид [СН₂ –СНС1–]_n получают полимеризацией винилхлорида (СН₂–СНС1). Он представляет собой полимер с молекуляр­ной массой 30000 . . . 150000 и относится к аморфным полимерам (кристалличность не превышает 10 %). Поливинилхлорид жесткий по­лимер, поэтому пластмассы на его основе получают путем совмещения его с пластификаторами (диоктилфталатом, дибутилфталатом и др.) и термической пластификации.

Поливинилхлорид, применяемый в мебельной промышленности, обладает относительно высокой механической прочностью, хорошо совмещается с другими материалами, химически стоек, устойчив к ста­рению, не имеет запаха, безвреден, легко окрашивается. В настоящее время производство поливинилхлорида является самым крупнотоннаж­ным в отечественной промышленности, он наиболее дешевый и наименее дефицитный полимерный материал. В мебельной промышленности ис­пользуется для производства ящиков из погонажных профильных дета­лей, различных направляющих, раскладок, емкостей и т.д.

Полиамиды представляют собой гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи регулярно повторяющиеся амидные группы —СО— NH—.

Полиамиды — твердые термопластичные полимеры, обладающие высокой температурой плавления. Молекулярная масса составляет 8000...25000. Они обладают высокими прочностью при ударных на­грузках и изгибе, жесткостью, стойкостью к износу, твердостью поверх­ности, морозостойкостью. Для мебельной промышленности наибольший интерес представляют капрон и полиамиды П-54 и П-68. Применяются для изготовления мебельной фурнитуры, стяжек, полкодержателей, опор небольших размеров и других мелких деталей и изделий, работаю­щих под большими нагрузками. Полиамиды хорошо сочетаются с металлами, что используется при изготовлении фурнитуры из пласт­масс и металла.

Жесткие пенополиуретаны на простых полиэфирах. Пенополиуретаны (ППУ) - газонаполненные материалы на основе полиуретанов.

Полиуретаны — полимеры, содержащие в основной цепи уретановые группы –NH–СО–О–. Получаются в результате реакции полимеризации полиизоцианатов с простыми или сложными полиэфирами, полиспирта­ми, содержащими в молекуле не менее двух гидроксильных групп, в присутствии катализаторов, эмульгаторов, вспенивающих агентов и дру­гих веществ. Для получения полиуретанов используют различные полиизоцианаты, наиболее часто толуилендиизоционат и гексаметилендиизоцианат. В качестве гидроксилосодержащих соединений используют низко­молекулярные диолы (например, 1,4-бутандиол), простые полиэфиры (различные лапролы) и сложные полиэфиры (например, полиэтилен-гликольадипинат).

Химизм образования пенополиуретана схематично сводится к следующему. При взаимодействии изоцианатов с гидроксилсодержащими олигомерами образуются уретановые звенья. При этом на концах растущих молекул находятся изоцианатные группы, которые способны вступать в реакцию с водой с образованием углекислого газа. Выделяющийся углекислый газ вспенивает композицию. В ряде случаев в нее вводят в качестве физического вспенивателя легкокипящую жидкость хладон (фреон). Реакция полимеризации начинается очень быстро после сме­шения компонентов (через 1 мин), при этом выделяется тепло, доста­точное для вскипания хладона, что приводит к вспениванию материала. Отверждение завершается в среднем через 10-20 мин.

Реакцию можно ускорить введением специальных катализаторов. При этом кинетика реакции должна быть такой, чтобы рост полимерных молекул и выделение газообразных продуктов обеспечивали образова­ние прочной пены. Для стабилизации пены в композиции вводят эмуль­гаторы.

Плотность пенополиуретанов в основном зависит от соотношения количеств полиизоцианатов и полиэфиров, а также от количества вспе кивающего агента.

Пенополиуретаны на простых полиэфирах по упругой деформации условно делятся на жесткие ППУ (напряжение сжатия при 50% ной деформации более 0,15 МПа), полужесткие (напряжением сжатия 0,15 . . . 0,01 МПа) и эластичные (напряжением сжатия менее 0,01 МПа). В данной главе будут рассмотрены только жесткие пенополиуретаны, применяемые при производстве мебели в качестве конструкционных материалов.

Средняя молекулярная масса структурной единицы жесткого пено­полиуретана 400 . . . 700. Жесткие пенополиуретаны на простых поли­эфирах обладают высокими механической прочностью при небольшой массе, водостойкостью и стойкостью к действию растворителей.

При производстве мебели во многих высокоразвитых зарубежных странах применяют различные виды жесткого пенополиуретана - прос­тые и структурированные (интегральные) для изготовления декора­тивных элементов, имитирующих резьбу по древесине, фасадных и других деталей мебели, каркасов кресел и диванов. В СССР жесткий пенополиуретан используют в настоящее время лишь для производства конструкционных деталей мягкой мебели и декоративных элементов, имитирующих резьбу по древесине.

Жесткие ППУ получают из двух жидких компонентов: А и Б, только другого состава. Компонент А содержит простые полиэфиры, катали­затор, эмульгатор, вспенивающий агент. Последний часто поставляется отдельно и добавляется в компонент А непосредственно на производст­ве, что позволяет на месте изготавливать компонент с заданной способ­ностью к вспениванию и соответственно обеспечивать наиболее рацио­нальное использование сырья и получение материала требуемых физико-механических свойств. Компонент Б - полиизоционат.

В зависимости от исходных компонентов, рецептурного состава и параметров технологического процесса получают жесткий ППУ с различ­ными кажущейся плотностью и физико-механическими показателями.

Следует различать кажущуюся плотность материала при свободном вспенивании и кажущуюся плотность при формовании в закрытой форме. Кажущаяся плотность при свободном вспенивании значительно ниже и соответствует минимально возможной плотности данного мате­риала, тогда как плотность при формовании может изменяться в значи­тельных пределах и зависит не только от состава и соотношения основ­ных компонентов, но и от содержания вспенивающего агента, степени заполнения пресс-формы и других факторов. Для различных марок жесткого ППУ кажущаяся плотность формованных деталей может быть в пределах 30 … 700 кг/см³.

В табл. 2 приведены показатели физико-механических свойств некото­рых марок жесткого ППУ отечественного и зарубежного производства.

Таблица 2. Показатели основных свойств жесткого пенополиуретана

Показатель	Отечественного производства			Производства ГДР
	ППУ-3	ППУ-305А	ППУ-3С	SH-4031	SH-4032
Кажущаяся плотность, кг/см3	140	100	50	45	37
Предел прочности при сжатии в направлении вспенивания, МПа	1,4	0,8	2,0	0,38	0,26
Ударная вязкость, кДж/м2, не менее	1,0	–	0,6	–	–

Прочность пенополиуретанов больше в направлении подъема пены. Особенно ярко это выражено у формованных изделий, у которых пре­дел прочности при сжатии в направлении подъема пены иногда в 2 раза больше, чем в перпендикулярном направлении. Предел прочности при сжатии материала одной и той же марки, как правило, возрастает с уве­личением плотности. В этом случае он зависит от плотности молекуляр­ной массы, приходящейся на узел разветвления полимера. Прочность жестких ППУ обусловливается рецептурным составом, влияющим на плотность сшивки уретанового полимера, образующегося при реакции полиизоцианатов и простых полиэфиров. Это подтверждают данные табл. 2. Прочность на сжатие ППУ-ЗС плотностью 50 кг/м³ выше, чем прочность на сжатие ППУ-3 плотностью 140 кг/м³.

Рисунок 1. Зависимость плотности интегральных ППУ от толщины.

Наряду с жесткими ППУ однородной пористой структуры выпускают и широко используют интегральные (струк­турные) пенополиуретаны (ИППУ) с бо­лее высокими физико-механическими свойствами.

Интегральные жесткие пенополиуре­таны имеют так называемую сэнд­вич-структуру: пористый срединный слой.уплотняющийся по направлению к поверхности, с монолитной поверх­ностной зоной. Интегральные пено­полиуретаны характеризуются вцсокрй твердостью, прочностью к меха­ническим нагрузкам, упругостыш

На рисунке 1 представлена зависимость плотности ИППУ (структурные зоны) от толщины материала. Сечение III – II соответствует ячеистой структуре пенопласта, сечение II – II - зоне с неравномерным распреде­лением плотности, сечение I – I — монолитной корке, имеющей (в зави­симости от пресс-формы) гладкую или рельефную поверхность.

Плотность поверхностного слоя ИППУ обычно составляет 600 . . 1000 кг/м³, плотность сердцевины 50 ...100 кг/м³. Эти величины можно изменять в определенных пределах.

Механизм образования интегрального ППУ с твердой плотной коркой объясняется тем, что применяемый в качестве вспенивающего агента фреон при контакте с поверхностью холодной формы конденсируется и не участвует в порообразовании. В результате этого у поверх­ности пресс-формы материал уплотняется, образуя монолитную корку.

Наряду с таким объяснением образования поверхностной монолитной корки существует вторая гипотеза, согласно которой образование корки обусловлено высоким давлением, возникающим в форме в результате реакции образования пенопласта. При этом давление растет от центра к поверхности формы, вследствие чего ячейки, образующиеся при вспенивании композиции в пристенной зоне, разрушаются и материал уплот­няется.

Исходя из того, что температура формы при прочих равных условиях оказывает большое влияние на плотность, твердость и толщину наружно­го слоя интегрального ППУ и плотность ячеистой срединной части, основ ная роль в процессе образования монолитной корки, по-видимому принадлежит все-таки снижению степени газообразования вспенивающе го агента у поверхности формы (рисунок. 2).

Получить более твердый и плотный наружный слой можно также повышая давление внутри формы, что в определенном смысле свидетельствует о том, что при увеличении давления разрушаются ячейки в пристенной зоне и образуется монолитная корка. Для этого увеличивают степень заполнения формы, применяют компоненты повышенной химической активности, увеличивают количество вспенивающего агента (рисунок 3).

Из рисунка видно, что степень заполнения пресс-формы оказывает различное влияние на твердость, плотность и толщину монолитной корки, причем наибольшее влияние она оказывает на твердость корки н диапазоне 0,2 ... 0,6, после чего твердость корки практически не меняется. Толщина корки возрастает в значительно меньшей степени, относительно большее ее увеличение наблюдается при степени заполне­ния формы выше 0,6. Плотность наружного монолитного слоя возрас­тает примерно на 25 ... 35 % в интервале степени заполнения формы 0,2 ... 0,5, после чего практически стабилизируется, в то время как плотность срединного слоя резко возрастает.

Рисунок 2. Зависимость показателей ППУ от температуры пресс-формы;

а – плотность интегрального ППУ: 1 – срединная часть материала; 2 – поверхностная корка; б – толщина поверхностей корки; в – твердость поверхностной корки.

а

б

в

Плотность, г/см3

Толщина, мм

Твердость, МПа

Температура, °С

Рисунок 3. Зависимость показателей ППУ от степени заполнения пресс-формы:

а – плотность итегрального ППУ; 1 – срединная часть материала; 2 – поверхностная корка;

б – толщина поверхностной корки; в – твердость поверхностной корки;

Плотность, г/см3

Твердость, кг/см2

Степень заполнения пресс-формы

Рисунок 3. Зависимость показателей ППУ от степени заполнения пресс-формы:

Толщина, мм

Степень заполнения пресс-формы

Регулируя динамику процесса, можно получать изделия из интег­рального ППУ с требуемыми показателями материала.

Скорость вспенивания также оказывает влияние на плотность и тол­щину поверхности корки и практически мало влияет на плотность срединного слоя. При увеличении скорости вспенивания значительно возрастает твердость монолитной корки. Например, регулируя ско­рость вспенивания, удалось повысить твердость корки с 0,08 до 0,3 МПа.

Свойства интегрального ППУ аналогичны свойствам древесины, а удельные значения жесткости, прочности на изгиб и сдвиг в ряде слу­чаев превышают аналогичные показатели древесины. Поэтому интеграль­ный ППУ успешно применяется в качестве конструкционного материала в производстве мебели.

В СССР разработано несколько марок интегрального ППУ, наиболее приемлемыми из которых для производства мебели являются ППУ-324 иППУ-15/2.

В таблице 3 приведены показатели физико-механических свойств некото­рых интегральных ППУ отечественного производства.

За рубежом производство интегральных пенополиуретанов и исполь­зование их в качестве легких конструкционных материалов постоянно увеличивается. Это обусловлено тем, что при применении ИППУ с высо­ким показателем физико-механических свойств материалоемкость изде­лий снижается на 30 ... 50 % по сравнению с материалоемкостью изделий из монолитных пластмасс. Кроме того, за один цикл формования можно получить изделие любой конфигурации, при этом применяется обору­дование более простое, чем по другим способам переработки пластмасс.

Так, в ГДР выпускают различные марки интегрального ППУ Сиспур SD плотностью при свободном вспенивании 25 . . . 200 кг/м³, обеспечи­вающие точное воспроизведение сложной формы с гладкой или структу­рированной поверхностью.

Таблица 3. Показатели основных свойств интегрального отечественного пенополиуретана.

Показатель	ППУ-324	ППУ-15/2	ППУ-15	ППУ-13/1	ППУ-5
Кажущаяся прочность, кг/м3	367	457	526	532	609
Разрушающее напряжение, МПа:
при растяжении	11,7	10,2	14,7	18,3	20,3
при изгибе	21,7	24,0	32,4	36,6	45,8
Модуль упругости при изгибе, МПа	683,0	714,0	979,0	1200,0	1383,0
Ударная вязкость, кДж/м2	6,0	5,8	7,5	10,1	10,2

В таблице 4 приведены основные показатели физико-механических свойств ППУ Сиспур SD, применяемых в мебельном производстве.

Таблица 4. Показатели свойств интегральных пенополиуретанов производства ГДР

Показатель	SD-4501	SD-4502	SD-4504
Кажущаяся плотность, кг/м3	448	440	400
Предел прочности, Н/м2
при сжатии	12,88	14,00	11/10
при изгибе	29,60	22,90	12,00
Ударная вязкость, кДж/м2	4,7	–	–

Указанные марки Сиспур SD применяются для изготовления корпу­сов, фасадных дверей, декоративных элементов мебели с отделанной поверхностью.

Фирма ПРБ (Бельгия) выпускает, различные виды пенополиуретанов, в том числе и интегральные, плотностью 300 . . . 800 кг/м³, обладающие высокой удельной прочностью, применяемые в качестве заменителей древесины при производстве мебели.

Различные марки интегрального ППУ выпускают в США, Англии, Франции, Японии, Италии и других промышленно развитых странах.

Продолжаются разработки новых видов этого материала с улучшенными эксплуатационными свойствами, получаемых в результате модификации рецептуры и совершенствования технологического процесса.

Оборудование. Для изготовления деталей мебели из жесткого ПГГ применяется следующее оборудование: заливочные машины (низкого и высокого давления), пресс-формы (силиконовые, эпоксидные, алюминиевые, стальные), конвейер (карусельный или горизонтально, замкнутый).

В СССР применяются заливочные машины типа "Трузиома" производства ГДР, по лицензии фирмы "Секмер" (Франция) (рисунок 4) серийно выпускаемые народным предприятием "Пласттехник", которые постав ляются в нашу страну по координационному плану СЭВ. В ГДР выпускаются различные модели заливочных машин.

Для переработки жесткого ППУ применяют машины с коэффициентом 22. Машина состоит из следующих основных узлов: рама на колесах на которой установлены баки для компонентов А и Б и промыв но жидкости (этиленхлорид), кронштейна со смесительной головкой перемещаемого в горизонтальном направлении по отношению к ос машины, устройства для дозирования и термостатирования компонентов. Смесительная головка (рисунок 5) включает смесительный механизм и переключающие клапаны для подачи и выхода из нее компонентов.

Контрольные и измерительные приборы установлены в передней е части и выведены на фронтальную часть машины.

Работа машины включает термостатирование компонентов, точное дозирование их в заданных соотношениях и по объему, синхронную; подачу под давлением в смесительную головку, перемешивание и заливку композиции в форму.

Объем впрыска композиции в форму определяется продолжительностью заливки и устанавливается прецизионным реле времени. При расчете объема композиции, заливаемой в форму, производительность обоих насосов умножают на продолжительность заливки.

Машины CN25S, CN63S и CN125S оснащены десятью прецизионным реле времени, а машины CN.4 и CN10 - шестью. Таким образом, при при­менении этих машин могут одновременно заливаться 10 или 6 типоразмеров форм.

Промывка смесительной головки производится путем подачи в нее промывной жидкости от бака, установленного на машине, через шланг с автоматическим вентилем. Одновременно осуществляется продувка смесительной головки.

Высокопроизводительные заливочные машины и другое оборудование для производства деталей и изделий из жесткого пенополиуретана выпус­каются в Италии, Франции, ФРГ, США, Англии и др. Так фирма "Интер­пластика" (Италия) выпускает серию заливочных машин, в том числе для производства жесткого ППУ машины А-9 производительностью 2...12 л/мин, А-15 — 15 л/мин, А-40 — 100 л/мин.

Рисунок 4. Заливочные машины «Трузиома»

Рисунок 5. Смесительная головка заливочной машины