20. Производство изделий из полимерных материалов

20.1. Способы формообразования деталей из полимеров в вязкотекучем состоянии

Полимеры и композиции на их основе разделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (пластмассы) при нагреве приобретают пластичность, при охлаждении возвращаются в твердое состояние, повторно и неоднократно плавятся без изменения свойств. К таким полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, винилпласт, фторопласты, полистирол, капрон и др.

Термореактивные полимеры (пластмассы) при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, но с увеличением длительности действия повышенных температур в результате химической реакции переходят в твердое нерастворимое и неплавкое состояние. К этой группе относятся фенопласты, аминопласты, эфиропласты, эпоксипласты и др.

В зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на следующие основные группы:

• переработка в вязкотекучем состоянии;

• переработка в высокоэластичном состоянии;

• получение деталей из жидких пластмасс различными способами формообразования;

• переработка в твердом состоянии разделительной штамповкой;

• обработка резанием;

• получение неразъемных соединений сваркой, склеиванием и др.;

• различные способы переработки (спекание, напыление и др.).

Основными требованиями к технологии производства изделий из пластмасс являются получение требуемой точности при оптимальной производительности и сохранение или улучшение свойств исходного материала. Это достигается как конструктивными решениями формообразующего инструмента, так и наиболее полным удалением низкомолекулярных примесей и летучих компонентов (влаги) из формуемого материала, снижением внутренних напряжений, обеспечением равномерного прогревания и наибольшей пластичности материала до заполнения им формы, а также его достаточно полным уплотнением и отвердением при формировании термореактивных материалов.

Подавляющее количество полимерных материалов перерабатывается в изделия в вязкотекучем состоянии. К этому методу обработки относятся следующие процессы:

• литье под давлением;

• прессование;

• выдавливание (экструзия);

• формование.

Во всех перечисленных процессах изделия оформляются под действием тепла и давления.

Литье при атмосферном давлении. Литьем в формы получают детали различной конфигурации из термореактивных материалов на основе фенольных, акриловых, эпоксидных, полиэфирных и других смол, которые затвердевают непосредственно в формах в результате поликонденсации или полимеризации, а также остывания или затвердения растворителя.

Перед заливкой в формы фенольные и карбомидные смолы предварительно приготавливаются в реакторе, из которого они поступают в ковш. В ковше происходит перемешивание смолы с красителями и катализаторами.

Залитые формы помещаются в сушильные шкафы, где они прогреваются при температуре 80–90° С в течение длительного времени (от нескольких часов до суток и более). Этим методом из фенольных и карбомидных смол изготавливают различные плиты, блоки, фасонные детали и др.

Детали из полиметилметакрилата получают заливкой в формы метилметакрилата (мономера) с катализатором и последующим нагреванием до температуры плавления. При этом в форме протекает реакция полимеризации, и материал затвердевает. В процессе затвердевания полиметилметакрилата происходит усадка, поэтому в формах предусматриваются усадочные емкости. Если же необходимо получить изделие в виде толстых плит, то последние отливаются слоями – каждый последующий заливают после затвердения предыдущего.

Из полиакриловых смол отливают плиты, стержни, трубы, фитинги и различные прозрачные изделия для технических и бытовых нужд.

Отливки из эпоксидных и полиэфирных смол получают в формах при комнатной или слегка повышенной температуре при добавлении к исходному материалу катализаторов. Этим методом изготавливают детали сравнительно небольшой величины, часто с металлической или керамической арматурой.

Литьем получают также пленку из полихлорвинила или производных целлюлозы толщиной 0,03–0,15 мм. Для этого пластифицированный материал тонким слоем наносится на ленту транспортера или вращающийся ба­рабан. Лента или часть барабана с нанесенной массой проходит через нагревательную камеру, в которой про­исходит желатинизация материала. После охлаждения пленка снимается и наматывается на барабан.

Формовое прессование. При формовом прессовании исходным материалом (смесь полимера с наполнителями, пластификаторами, стабилизаторами, красителями и т. д.) заполняется пресс-форма, а затем пуансоном про­изводится горячее прессование.

Различают компрессионное и литьевое прессование.

При компрессионном прессовании (рис. 20.1) пресс-порошок (таблетки) 7 засыпается в матрицу 5, а затем формуется пуансоном 1. Пресс-порошок перед подачей в пресс-форму может быть предварительно нагрет.

а

б

Рис. 20.1. Схема компрессионного прессования: а – начало прессования; б – конец прессования: 1 – пуансон, 2 – сердечник, 3 – направляющие стержни, 4 – направляющие отверстия, 5 – матрица, 6 – гнездо матрицы, 7 – пресс-материал, 8 – изделие

Если изделие изготавливается из термореактивных материалов, то оно извлекается из пресс-формы вгорячую, а детали из термопластичных материалов – только после остывания. В связи с последним обстоятельством использование этого метода для переработки термопластичных материалов нецелесообразно вследствие низкой производительности.

Этим методом получают изделия средней сложности и небольших габаритов.

При литьевом прессовании (рис. 20.2) исходный материал нагревается до вязкого состояния в специальной загрузочной камере 2, откуда он под давлением пуансона 1 через отверстие в литниковой плите 3 поступает в полость матриц 5. Далее материал затвердевает и готовое изделие 4 извлекается выталкивателем.

Литьевым прессованием производят детали сложной формы, с резьбовыми отверстиями, со сложной арматурой. Но при данном способе увеличивается расход материала за счет литниковой системы и части материала, остающейся в загрузочной камере.

В зависимости от способа установки на прессах пресс-формы делятся на стационарные, съемные и сменные.

У стационарных пресс-форм матрица и пуансон закреплены соответственно на столе и ползуне пресса, у съемных – только матрица, а у сменных на столе пресса прикреплен только корпус матрицы. Формообразующая часть сменной матрицы может быть легко заменена, что позволяет быстро переналаживать пресс на изготовление различных деталей.

Рис. 20.2. Схема литьевого прессования: 1 – пуансон, 2 – загрузочная камера, 3 – литниковая плита, 4 – готовая деталь, 5 – матрица

Нагрев пресс-форм может осуществляться источником тепла, расположенным как непосредственно в пресс-форме, так и за ее пределами. Для этого используют перегретый пар с избыточным давлением 4–9 атм., горячую воду, газ, сжигаемый в камерах пресс-форм, электрический ток (сопротивление), токи высокой частоты и горячее масло. Для повышения производительности работы применяют предварительный подогрев пресс-материала электрическими, воздушными или паровыми подогревателями.

Материалами для пресс-форм служат термически упрочненные высоколегированные или инструментальные стали. Для обеспечения высокого качества поверхности формуемых изделий основные детали пресс-форм полируются и хромируются.

Для прессования используются гидравлические и механические прессы простого и двойного действия. Удельное давление прессования в зависимости от рода мате­риала и вида изделия принимается в пределах 2000–6000 МПа.

Формование при низком давлении. Для изготовления крупногабаритных деталей из композиций на основе эпоксидных, полиэфирных и фенольных смол, способных затвердевать при невысоком нагреве и малом удельном давлении (не более 350 МПа), применяется формование при низком давлении.

В качестве пресс-материала используют обычно ткань или волокно, пропитанные смолой. При этом синтетическая смола предварительно подвергается частичной полимеризации, что при введении в нее катализаторов обусловливает сокращение процесса затвердевания до 1–2 часов.

Формы для формования изделий при низком давлении (рис. 20.3) изготавливают из гипса, бетона, дерева, полимерных материалов и легкоплавких металлов. Формующим силовым элементом является эластичный баллон из резины 1 или из полимерного материала (например, полиуретана), в который под давлением 8–12 атм. подаются воздух, вода или масло. При этом пресс-форма 3 нагревается до 80 °С. После затвердевания газ или жидкость из баллона выпускается и извлекается изделие 2.

Рис. 20.3. Прессование под низким давлением: 1 – баллон, 2 – прессуемое изделие, 3 – пресс-форма

На таком же принципе основано вакуумное формование, при котором форма с исходным материалом помещается в баллон. Затем из баллона выкачивается воздух. Под действием атмосферного давления баллон прижимает пресс-материал к форме, что способствует получению требуемой конфигурации изделия.

Плитовое прессование. Методом плитового прессования получают листы и плиты, а также детали более сложной формы (втулки подшипников скольжения, заготовки шестерен и др.) из пластиков со слоистыми или мелкокусковыми наполнителями. Слоистые пластики изготавливают с хлопчатобумажными, стекловолокнистыми, древесными, металлическими (в виде сеток) и другими армирующими наполнителями. Методом плитового прессования получают такие материалы, как текстолит (хлопчатобумажная ткань и фенолоформальдегидная смола), асботекстолит (асбестовая ткань и фенолоформадьдегидная смола), гетинакс (листовая бумага и феноло-формальдегидная смола), лигнофоль (древесно-слоистый пластик) и т. д.

Количество укладываемых листов наполнителя зависит от толщины материала и степени его уплотнения.

При изготовлении слоистых пластиков с тканевыми или бумажными наполнителями вводят до 30–55 % смолы, в древесно-слоистые пластики – от 15 до 20 %.

В зависимости от направления волокон в слоях шпона (наполнителя) различают древесно-слоистые пластики, параллельно-слоистые (волокна во всех слоях параллельны), поперечно-слоистые (волокна соседних слоев взаимно перпендикулярны), звездчатые (волокна соседних слоев расположены под углом от 15 до 45°) и упрочненные параллельно-поперечные (слои с параллельными волокнами перемежаются слоями с перпендикулярным направлением волокон).

Слоистые пластики изготавливают следующим образом. Наполнители пропитываются связующей смолой и укладываются на плиты или формы, соответствующие конфигурации требуемой детали, затем заготовки устанавливаются на пресс, нагреваются и прессуются. Температура прессования фенопластов составляет 40–200 °С, а аминопластов – 140–165 °С. Давление прессования в зависимости от вида наполнителя выбирается в пределах от 800 до 2000 МПа. Большие значения давления принимают при прессовании древесно-слоистых пластиков, меньшие – для асбестовой ткани и бумаги. Прессование материала на основе стеклоткани происходит при давлении 200—500 МПа. Время прессования составляет 4–5 часов.

Давление на прессуемый материал должно возрастать постепенно во избежание повреждения волокон и выдавливания смолы из межлистового пространства.

Прессование производится на гидравлических прессах различных конструкций. Наибольшая производительность достигается на этажных прессах, у которых на рабочих плитах одновременно устанавливается большое количество заготовок.

Литьем под давлением в основном формуются изделия из термопластичных материалов (полиэтилена, полиамидов, полистирола и его сополимеров, полихлорвинилидена и др.). Иногда его используют и для получения деталей из термореактивных материалов.

Исходный материал 2 с пластификатором загружается в бункер литьевой машины 1 (рис. 20.4), из которого он определенными дозами поступает в нагнетательный цилиндр 3. В цилиндре происходит нагрев материала нагревателями 5, расположенными по внешней его оболочке.

При помощи нагнетательного поршня 4 разогретый материал через переходник подается в пресс-форму 7. Для лучшего перемешивания и прогрева материала в нагнетательном цилиндре имеется обтекатель 6. В некоторых конструкциях литьевых машин цилиндрические обтекатели заменяют пластифицирующими втулками, которые вызывают меньше потерь давления, чем обтекатели.

Рис. 20.4. Схема термопластавтомата: 1 – бункер, 2 – исходный материал, 3 – нагнетательный цилиндр, 4 – поршень, 5 – нагреватели, 6 – обтекатель, 7 – пресс-форма, 8 – готовое изделие

Термопластичные материалы в нагнетательном цилиндре нагреваются до температуры размягчения и течения. Нагрев термореактивных материалов в нагнетательном цилиндре производится до температур, несколько меньших температур отвердения. Окончательный нагрев происходит при прохождении материала через переходник.

При конструировании пресс-форм для литья под давлением учитывается усадка материала при затвердевании. У кристаллических полимеров (полиэтилена, полиамидов и полихлорвинилидена) усадка достаточно высока, в зависимости от ориентировки кристаллов она может доходить до 2 %. Усадка аморфных материалов сравнительно невелика (0,4–0,6 %) и одинакова во всех направлениях.

Кристаллические полимеры при нагреве обладают высокой текучестью, поэтому пресс-формы должны быть плотными. Зазор по диаметру не должен превышать 0,05 мм. Высокая текучесть позволяет быстро заполнять пресс-форму.

Одним из условий качественного и высокопроизводительного литья под давлением термопластичных материалов является удаление воздуха из пресс-формы во время подачи в нее материала.

У аморфных материалов текучесть значительно ниже. Это увеличивает время заполнения пресс-формы, что позволяет более полно удалять из пресс-формы воздух, поступающий в нее с материалом.

Литьем под давлением изготавливают не только детали различной конфигурации, но и профильные заготовки, в частности, трубы. При этом применяют специальные приставные головки.

Литье под давлением осуществляется на специальных литьевых машинах с ручным, механическим, гидравлическим, пневматическим и смешанным типом привода. В работе происходят два движения: 1) ход поршня в литьевой машине, 2) открывание и закрывание пресс-формы. При смешанном типе привода открывание и закрывание пресс-формы производится вручную, а ход поршня – одним из вышеперечисленных способов.

В зависимости от способа управления литьевые машины бывают ручные, полуавтоматические и автоматические.

Экструзия. Экструзионным формованием термопластичных материалов изготавливают трубы, листы, пленки и различные профили. Этот метод основан на выдавливании полимерного материала из цилиндра (экструдера) через насадку, имеющую профильное отверстие. Насадки для производства труб имеют дорн, образующий выходное отверстие в виде кольцевой щели. Перемешивание материала в цилиндре и выдавливание его через насадку производятся шнеком или плунжером (рис. 20.5).

При работе исходный материал в виде порошка или гранул с пластификатором 2 загружается в бункер 1, из которого шнеком 3 подается к оправке 6. Шнек, вращающийся со скоростью 80–100 об/мин, перемешивает и уплотняет материал. Одновременно происходит нагрев материала от стенок цилиндра 4. Обогрев цилиндра осуществляется с помощью нагревательного элемента 5. После выхода из насадки прессованный профиль охлаждается воздухом или водой.

В зависимости от назначения и вида формуемого материала используются экструдеры с размером шнека от 9 до 400 мм с различным отношением его длины к диаметру (от 6 до 36), однозаходным и многозаходным шнеком, с постоянным и переменным шагом, с постоянной или изменяющейся глубиной нарезки.

Рис. 20.5. Схема экструзионного выдавливания: 1 – бункер, 2 – порошок, 3 – шнек, 4 – рабочий цилиндр, 5 – нагревательный элемент, 6 – оправка, 7 – готовое изделие

Имеются экструдеры, в которых не производится нагрев цилиндра. Материал в них нагревается за счет трения о стенки цилиндра, поверхности шнека, а также трения друг о друга частиц материала. Скорость вращения шнека в этом случае составляет около 1000 об/мин.

Различные профили и трубы образуются непосредственно в насадках экструдера. Для получения пленок вводятся следующие дополнительные операции. Образовавшуюся трубу на выходе из насадки не охлаждают, а раздувают сжатым воздухом (0,2–0,3 атм.). Раздутая труба поступает в специальные валки, обжимающие цилиндрическую тонкостенную трубу в пленку требуемой толщины.