ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 33В

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТЕКСТОЛИТА И ГЕТИНАКСА МЕТОДОМ ПРЕССОВАНИЯ

Тема: методы получения деталей из сложных пластмасс.

Цель работы: ознакомление с методом получения листового текстолита и гетинакса.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Пластмассами называют материалы, изготовляемые на основе органических высокомолекулярных веществ. Эти материалы способны формоваться при определенных условиях вследствие их пластичности. Пластмассы при обычных условиях являются твердыми веществами.

Высокомолекулярные вещества, используемые для получения пластмасс, часто называют смолами или полимерами.

Простые пластмассы состоят только из полимера, например, полиэтилен, полипропилен и др. Но чаще состав пластмасс бывает более сложный. В них входят: связующее вещество – смола, составляющая основу пластмассы; наполнители – древесная мука, ткань, асбест и т.п., повышающие механическую прочность пластмассы; пластификаторы – органические малолетучие жидкости (например, некоторые высококипящие сложные эфиры), придающие материалу большую пластичность и устраняющие его хрупкость; красители, сообщающие материалу требуемую окраску и другие вещества. Примером таких сложных пластмасс являются фенолформальдегидные пластмассы.

По отношению к нагреванию смолы делятся на две группы: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные смолы при нагревании размягчаются, становятся пластичными. При охлаждении они снова затвердевают, сохраняя при этом прежние свойства. Такие смолы можно использовать при производстве изделий неоднократно путем нагревания до пластического состояния, последующего формования и охлаждения. К термопластичным смолам относятся полимеры с линейной структурой молекул, например, полиэтилен, полихлорвинил, другие полимеризационные смолы. Их линейные цепи из атомов углерода не связаны химически. Поэтому при нагреве молекулы приобретают возможность относительного перемещения, пластмассы становятся пластичными.

76

Термореактивные смолы при нагревании утрачивают пластичность, они становятся неплавкими и нерастворимыми. Это объясняется тем, что при нагревании происходит химическая реакция образования пространственной структуры из линейных молекул. К термореактивным смолам относится, например, фенолформальдегидная резольная смола.

Термопластичные материалы часто перерабатываются в изделия способом литья под давлением и путем непрерывного выдавливания материала через отверстия соответствующего профиля (метод экструзии).

Термореактивные материалы перерабатываются преимущественно способом горячего прессования.

Сущность литья под давлением состоит в следующем. В цилиндр литьевой машины поступает из бункера необходимое количество пластмассы в виде порошка или зерен. Так как цилиндр обогревается, то пластмасса размягчается и под давлением плунжера поступает через отверстие в охлаждаемую пресс-форму. В пресс-форме изделие быстро затвердевает и при обратном ходе плунжера, когда происходит разъединение пресс-формы, автоматически выталкивается из нее; затем цикл литья под давлением начинается снова. Длительность одного цикла всего 20-30 сек; за один цикл может быть отлито несколько изделий по числу гнезд в форме. Поэтому производительность литьевых машин очень высокая.

При переработке по методу экструзии твердый полимер непрерывно подается шнеком через участки высоких температур и давлений, где он плавится и превращается в компактную массу, а затем материал выдавливается, образуя требуемое изделие.

Методом экструзии могут быть изготовлены самые разнообразные изделия: трубы и шланги, листы, имеющие ширину свыше 1 м и толщину более 6 мм, пленки такой же ширины, но меньшей толщины – вплоть до нескольких сотых долей миллиметра.

При горячем прессовании в нижнюю половину формы (матрицы), закрепленную на нижней плите пресса, загружается определенное количество пластмассы. Чтобы обеспечить заполнение формы, в нее загружают пластмассу с небольшим избытком. Этот избыток выдавливается через зазор между плитами формы в виде тонкой, легко удаляемой пленки. После этого опускается вторая половина пресс-формы (пуансон) и создается сильное давление на формуемый материал. Пресс-форма одновременно нагревается электрическим током (рис. 2 , с. 86).

Под влиянием нагрева и давления пластмасса хорошо заполняет форму и переходит постепенно в твердое неплавкое состояние. После этого плунжер пресса поднимают, извлекают готовое изделие и форму загружают новой порцией материала.

Если прессуют изделие из термопластичного полимера, то после окончания процесса форму охлаждают, давление снимают, из формы извлекают изделие.

77

Если полимер термореактивен, то форму можно не охлаждать, т.к. вследствие происшедшего структурования изделие из полимера уже не может течь или изменять полученную конфигурацию.

Метод горячего прессования уступает по производительности литью под давлением, т.к. требуется выдерживать изделие в пресс-форме до тех пор, пока оно не затвердеет.

Фенолформальдегидные пластмассы

Фенолформальдегидные пластмассы производятся промышленностью в наибольшем количестве. Основу их составляет фенолформальдегидная смола. Это высокомолекулярное вещество получается реакцией поликонденсации фенола с формальдегидом. Реакция идет при нагревании смеси в присутствии катализатора-кислоты или щелочи. В зависимости от условий реакции поликонденсации можно получить три типа смол: новолачные, резольные, резиты.

В бензольном кольце атомы углерода нумеруются по часовой стрелке, начиная с того, у которого есть заместители вместо атомов водорода.

Положение 2, 6 называется орто-положением, 4 – пара и 5, 3 – мета-

положением. Атомы водорода в орто и пара-положении подвижны и вступают в реакцию поликонденсации.

Новолачные смолы получают при следующих условиях: берется избыток фенола и кислый катализатор. Реакция протекает ступенчато.

При первой ступени происходит присоединение молекул формальдегида к молекулам фенола преимущественно по орто-положению. При этом атом водорода из орто-положения переходит к атому кислорода формальдегида. Его двойная связь (С=О) разрывается и освободившейся связью атом углерода присоединяется по орто-положению к бензольному кольцу. В результате первой ступени присоединения образуются орто- феноло-спирты

78

По второй ступени происходит конденсация молекул орто-феноло- спиртов. Спиртовая гидроксо-группа соединяется с атомом водорода по ортоположению с образованием молекул воды. В результате получается новолачная смола

Новолачная смола имеет линейное строение, растворяется в органических растворителях и по отношению к нагреванию является термопластичной смолой, которая при нагревании размягчается, становится пластичной, а при охлаждении снова затвердевает, сохраняя при этом прежние свойства.

Резольные смолы получают при следующих условиях реакции: берется избыток формальдегида и щелочной катализатор. Механизм реакции такой же, двухступенчатый. Однако вследствие избытка формальдегида, его присоединение происходит не только по орто-, но и по пара-положению. В результате по первой ступени реакции при температуре 20-600С получаются различные орто-пара-феноло-спирты, например

1)

По второй ступени при температуре выше 700С происходит стадия конденсации феноло-спиртов по орто и пара-положению с образованием резольной смолы, имеющей разветвленное строение, и получается вода, например

79

2)

Резольная смола имеет больший молекулярный вес, чем новолачная. Число бензольных колец в ее молекулах колеблется от 6 до 15. Особенность состояния резольной смолы заключается в том, что она содержит активные спиртовые группы (метилольные) – СН2-ОН, способные к дальнейшей реакции поликонденсации. При нагреве смолы в пресс-форме происходит третья стадия переработки, дальнейшая реакция поликонденсации за счет активных спиртовых групп. При этом происходит сшивка отдельных молекул резольной смолы метиленовыми мостиками (-СН2-), образуется полимер с пространственным, сетчатым строением молекул – резит. Поэтому резольная смола является термореактивной, при нагреве затвердевает, при дальнейшем нагреве на размягчается, но при перегреве происходит ее деструкция. Строение резита можно представить следующим образом

80

Резит не растворяется в органических растворителях, имеет пространственное строение, является термостабильной смолой, т.е. такой смолой, которая при нагревании не плавится, а при перегреве разлагается на составляющие элементы. Для изготовления пластмасс используют в основном резольные смолы. Смолу вместе с добавками нагревают до 1502000С, происходит отвердение резольной смолы, т.е. переход ее в резит. При нагревании фенолформальдегидных смол от 2000 до 3000С происходит их разложение (деструкция).

Вкачестве наполнителей при получении пластмасс на основе резольных смол применяют древесную муку, ткань, дерево и др.

Впоследнее время получили распространение древесносложные пластики на основе фенолформальдегидной смолы. Получают такие пластмассы путем обработки смолой древесного шпонта тонких листов древесины и последующего прессования их. Древесносложные пластмассы прочны, дешевы, используются в качестве конструкционных материалов: для изготовления шестерен и вкладышей подшипников в машиностроении, в производстве мебели.

Применяя в качестве наполнителей волокнистые материалы, получают пластмассы волокниты, обладающие большей прочностью, чем получаемые из пресс-порошка. Горячим прессованием из волокнитов готовят панели, рейки и втулки и др. детали промышленного назначения. При использовании хлопчатобумажной ткани в качестве наполнителя получается особенно прочная пластмасса - текстолит (текстильный камень). Процесс изготовления текстолита состоит из следующих операций: подготовка сырья, пропитка ткани на пропиточных машинах с последующей ее сушкой, нарезка ткани и сборка пакетов, прессование текстолита с одновременной его термообработкой и окончательная механическая доработка.

Схема технологического производства текстолита представлена на рис. 1 (стр.86).

Процесс подготовки сырья состоит из сшивания длинных отдельных кусков ткани для перемотки их в рулоны определенного веса. Их устанавливают на пропиточные машины. Затем производят пропитку ткани, для чего в ванну пропиточной машины загружают связующую смолу в виде раствора с органическим растворителем (спирт, ацетон и др.) заданной концентрации и вязкости, чтобы получить определенное количество связующей смолы в ткани. Для уменьшения вязкости пропиточного раствора ванну подогревают. Пропитка ткани производится обычно на вертикальных пропиточных машинах, имеющих коробку скоростей, для регулирования скорости движения ткани на шахте машины в пределах от 15 до 100м/ч и выше, а также снабженных устройствами для регулирования температуры по зонам. Скорость движения ткани по шахте и температура в шахте по зонам зависит от вязкости связующего вида растворителя, требуемого количества связующего в ткани, допустимого количества летучих веществ в ткани. Пропитанная ткань на специальных резательных машинах разрезается на

81

полотнища, из пропитанной ткани собираются пакеты. Количество слоев ткани в пакете определяется требуемой толщиной текстолита и давлением прессования. Прессование текстолита производят на многоэтажных гидравлических прессах, снабженных паровым или электрическим секционным обогревом и имеющих систему водяного охлаждения. В каждый междуплиточный пролет пресса при небольшой толщине прессуемых листов можно загружать несколько пакетов. При этом каждый пакет помещается в продольные металлические листы, протертые специальной смазкой (олеиновая кислота и др.) Термообработка производится в термошкафах, снабженных принудительной вентиляцией и в некоторых случаях в прессах. Во избежание появления вздутий термообработку проводят постепенно. Из листового и плиточного текстолита механическим путем изготовляют различные детали. Текстолит поддается механической обработке, его можно пилить, сверлить, обрабатывать на токарных и фрезерных станках. Пропитанная ткань может использоваться для приготовления сложных, но сравнительно небольших текстолитовых деталей прессованием в прессформах. Режимы прессования изделий отличаются от режимов прессования листового материала. Из текстолита готовят ответственные детали машин – шестерни, вкладыши подшипников, задние бабки для токарных станков и т.д. Шестерни из текстолита обеспечивают бесшумность работы машин даже при больших скоростях. Вкладыши из текстолита работают с меньшим коэффициентом трения, чем из обычных антифрикционных сплавов и не требуют смазки, их достаточно охладить водой. И шестерни, и вкладыши подшипников из текстолита служат значительно более длительный срок, чем металлические. Если в качестве наполнителя используется бумага, получается пластмасса гетинакс. Если в качестве наполнителя используется асбест, получается пластмасса, например, с очень высоким коэффициентом трения. Она применяется для изготовления тормозных колодок вагонов, дисков сцепления в автомашинах и т.д. Текстолит используется в качестве электроизоляционного материала.

В последнее время получили распространение стеклопластики, т.е. пластмассы, содержащие стекловолокнистый наполнитель. Если наполнителем служит стеклянная ткань, то пластмасса называется стеклотекстолитом. В качестве связующих в производстве стеклопластиков широко используется различный термоактивный и термопластичный материал. Но самое широкое распространение получили связующие на основе полиэфирных смол, обладающих различными специфическими физико-механическими и технологическими свойствами. Стеклопластики имеют прежде всего высокую механическую прочность, хорошие электроизоляционные свойства (высокие диэлектрические свойства). Стеклопластики на основе эпоксидно-фенольных связующих стойки против комплексного воздействия влажности температуры и микроорганизмов, что дает возможность использовать его в тропических условиях в качестве электроизоляционного материала, значительно повышается надежность и

82

срок службы электрооборудования по сравнению с оборудованием, в котором используется изоляция из текстолита и гетинакса. В электрических машинах стеклотекстолиты применяют в виде клиньев для пазовой изоляции статорных обмоток машин переменного тока, роторных обмоток генераторов

иасинхронных двигателей, а также якорных обмоток машин постоянного тока. В трансформаторах стеклопластики применяют в виде цилиндров, трубок, листовых материалов и фасонных деталей для изоляции обмоток друг от друга и от кожуха трансформатора. Из стеклопластиков изготавливаются корпуса специальных электроприборов и генераторов, вентиляторы для электродвигателей, изоляции для электроприводов, кабельные наконечники, щиты для высоковольтной арматуры, детали для выключателей высокого напряжения. Стеклопластики могут работать при высоких температурах. Возможность применения изделий из стеклопластиков при высокой температуре обусловлена их низкой теплопроводностью, малой горючестью, сравнительно высокой теплостойкостью, способностью пластиков выделять газы, образующие теплозащитный слой на поверхности материала. Из стеклопластиков изготавливают ряд элементов конструкции самолета: законцовки крыльев, винтов, сидения, двери, люки. В реактивных двигателях стеклопластики используются для изготовления направляющих лопаток компрессора.

Впоследнее время стеклопластики успешно начинают применяться в производстве ракет. Корпус ракеты из стеклопластика способен выдерживать действия механических и тепловых нагрузок аналогично корпусу из алюминиевых сплавов, титана или стали, причем скорость повышения температуры поверхности ракеты значительно меньше, чем при использовании металла. Кроме корпуса ракеты, из стеклопластиков изготавливают направляющее устройство ракетного двигателя, крылышки, хвостовое оперение. Благодаря хорошим радиотехническим свойствам (пропускают электромагнитные волны без искажения, с минимальным поглощением энергии) стеклопластики широко применяются в радиотехнике

ив промышленности средств связи.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Содержание работы заключается в изготовлении текстолита методом прессования на лабораторной установке. Прессование производится в плоской пресс-форме, состоящей из двух обогреваемых пластин (рис. 2. дет.2, 5), прикрепленных одна к верхнему упору масляного пресса и другая к плунжеру масляного пресса. Электрообогрев обеих деталей включен последовательно на 30 В и питается переменным током от трансформатора. Температура нагрева контролируется с помощью термопары, вмонтированной в нижнюю половину пресс-формы. Необходимое усилие для сжатия пресс-формы, работающей от ручного насоса, создается рукояткой

83

насоса (рис. 2, дет. 11). Давление масла внутри цилиндра пресса контролируется с помощью манометра (рис. 2, дет. 12), а его максимальная величина, 150атм ограничивается редукционным клапаном, включенным в маслосистему пресса. Для возвращения плунжера пресса в крайнее нижнее положение необходимо выпустить масло из цилиндра пресса в резерв путем открытия запорного крана (рис. 2, дет. 13). Если плунжер пресса в таких случаях не опускается под действием собственного веса, необходимо сверху нажать с небольшим усилием на его выступающие края, с помощью рычажного механизма, смонтированного на прессе.

Последовательность операций при выполнении работы

1.При крайнем нижнем положении плунжера масляного пресса осторожно очистите рабочую поверхность пресс-формы от пыли и остатков предыдущего прессования. Для этого пользуются х/б ветошью или, в крайнем случае, деревянными скребками. Ни в коем случае нельзя скоблить поверхность пресс-формы металлическими предметами.

2.Проверьте правильность подключения электрообогрева пресс-формы

иего исправность.

3.Закройте выпускной масляный кран пресса (рис. 2, дет. 13) с помощью ручного масляного насоса, поднимите плунжер пресса вместе с подвижной частью пресс-формы до полного ее упора (при этом оберегайте пресс-форму от ударов) и включите электрообогрев. Степень нагревания

пресс-формы контролируйте по показаниям термопары. Нагрев пресс-формы ведется в течение 40-50 минут до температуры 125-1350С. От степени нагрева пресс-формы зависит качество получаемого изделия и продолжительность прессования.

4.Для прессования необходимо получить у лаборанта уже высушенные (пропитанные резольной смолой) заготовки бумаги или х/б ткани, разрезать их на квадраты 5х5 см, собрать пакет (4-5 шт. заготовок).

5.Пакет вставьте внутрь пресс-формы. Для этого откройте выпускной масляный клапан (рис. 2, дет. 13), опустите плунжер пресса в крайнее положение. Осторожно (чтобы не обжечь руки!) положите пакет на матрицу, закрыть выпускной клапан и поднимите плунжер пресса с помощью ручного масляного насоса (рис. 2, дет. 11).

6.Доведите давление масла в цилиндре пресса до 150 атмосфер и подержите его в течение 10-15 минут, изредка подкачивая масло ручным насосом. В течение 10-15минут произойдет полная поликонденсация смолы,

иэтим по существу заканчивается прессование.

7.После прессования открыть пресс-форму (как указано выше), извлеките из пресс-формы полученный лист гетинакса или текстолита. Выключите обогрев. Очистите пресс-форму.

8.Зачистите напильником края полученного образца, предъявите его преподавателю вместе с отчетом и ответьте на контрольные вопросы.

84