10.4. Технологічні властивості наповнених полімерів

Методи переробки дисперсно-наповнених пластмас засновані на їхній здатності до плину й деформування.

В'язкість розведених суспензій (φ_н < 6 % об.) з твердими частинками приблизно описується рівнянням Эйнштейна:

.

(10.15)

При концентраціях до 15% об. використовується рівняння Смолвуда-Гута:

(10.16)

Для середніх концентрацій (φ_н ≤ 30% об.) в’язкість наповнених полімерів розраховується по рівнянню Муни:

,

(10.17)

де − в’язкість полімеру; − коефіцієнт форми часинток; − коефіцієнт, що враховує взаємодії часинток і дорівнює 14,7; − максимальна частка наповнювача при щільному впакуванні часток.

Якщо вміст наповнювача перевищує 30% об., то пропонуються наступні залежності:

;

(10.18)

через вільний об’єм наповнювача в дисперсній системі:

;

(10.19)

через параметр Q:

,

(10.20)

де: Q − вільна частка полімеру, витрачена на розсунення часток наповнювача.; m – коефіцієнт (для кулеподібних часток – 2,5). У високонаповнених полімерах спостерігається наявність границі плинності . При напрузі нижче такі системи не мають плинності, а при напрузі вище , плин системи описується рівнянням:

,

(10.21)

де - напруга зсуву; - константа;

Наповнені полімери характеризуються більш низьким значенням ПТР і їх переробляють при температурі на 20−30 °С вище, ніж вихідні полімери, а також при більших тисках. Для зниження в’язкості наповнених полімерів у їхній склад вводять змащення і пластифікатори. У якості твердих змащень використовують тверді наповнювачі пластинчастої структури: графіт, дисульфід молібдену, нітрит бору і диселеніди металів у кількостях не більш 3 % мас.

Збільшення довжини волокна, ріст і зниження призводять до росту в’язкості, а композиції, що містять волокна довжиною більш 10 мм, переробляють практично тільки методом пресування.

Полімери, армовані безперервними волокнами, тканинами, папером і т.д., не мають текучості, і форма виробу надається шляхом деформування.

Тверді частинки наповнювача знижують технологічну усадку при охолодженні полімерів з розплаву, коливання усадки й підвищують розмірну точність виробів. Теплопровідні наповнювачі (метали, кераміка) підвищують теплопровідність полімерів, в відтак − швидкому охолодженню і нагріванню.

10.5. Технологічні стадії готування полімерних композиційних матеріалів

10.5.1. Підготовка компонентів до змішування

До підготовчих операцій у першу чергу належать: здрібнювання, просівання, усереднення партій, сушіння (зволоження), розчинення, таблетування, гранулювання.

Здрібнювання. При виготовленні виробів із пластмас використовується дрібнодисперсна сировина у вигляді гранул розміром 1,5-5 мм або технологічного порошку з розміром часток 0,5-2 мм. У вигляді гранул переробляються практично всі термопласти, а у вигляді порошку − прес-порошки з реактопластів. Здрібнювання використовується й при переробці вторинних полімерних матеріалів (вторинний матеріал може додаватися до вихідного полімеру в кількості від 5 до 30 %). На цей час розпочатий випуск гранульованих реактопластів.

Іноді виникає необхідність здрібнювання не полімерних компонентів (наповнювачі, барвники, стабілізатори й т.п.). Ефективність здрібнювання полімерів залежить від співвідношення їхньої пластичності й крихкості: пластичні подрібнюють шляхом зрізу, а крихкі − шляхом удару (ножові, роторні, молоткові дробарки). Для більш тонкого розмелу застосовують струминні і колоїдні млини.

Просівання. Ця операція є однією з найважливіших при підготовці сировини до змішування, її призначення – очищення матеріалу від сторонніх включень. Крім того, просівання використовується для відбору фракцій полімеру, наповнювача або зв’язувального з необхідним гранулометричним складом. Просіяний матеріал характеризується коефіцієнтом однорідності:

,

(10.22)

де - сума всіх часток в одиниці об’єму; - різниця між розміром часток з і середнім розміром часток усього спектра:

,

(10.23)

Усереднення (укрупнення) партій. Полімерні матеріали, особливо прес-порошки, можуть поставлятися на завод дрібними (відносно маси виробів) партіями. Наприклад, прес-порошки фенопластів випускаються партіями по 0,5-2,0 тонни. Для забезпечення умов переробки без переналадження устаткування й оснащення, а також без зміни режимів, дрібні партії усереднюються − змішуються в змішувачах барабанного типу. Після змішування укрупнена партія аналізується й для неї встановлюються режими переробки.

Сушіння (зволоження). Зволоження використовується для прес-порошків і спрямоване на зниження в’язкості розплаву полімеру. Прес-матеріал, що містить менше 1,5 % вологи, відрізняється високою в’язкістю й, отже, низькою текучістю, внаслідок чого (можливий брак − недопресовка. Тому сировину зволожують водою або витримують у парових камерах, після чого перевіряють вміст вологи.

Порошкоподібні наповнювачі: барвники, концентрати, гранульовані або порошкоподібні полімери надходять на виробництво в упакованому вигляді, що захищає від зволоження. Технологічний процес повинен бути організований так, щоб матеріали після розтарювання і транспортування зі складу до устаткування не встигали поглинути зайву кількість вологи.

На практиці сушіння здійснюють у тих випадках, коли наявність вологи помітно погіршує властивості виробів. При підвищеній вологості в цеху застосовують підігрів безпосередньо в завантажувальному бункері для усунення конденсованої й адсорбованої вологи, а також для інтенсифікації процесу переробки. Сушіння ведуть при максимально можливій температурі, при якій не повинне відбуватися злипання гранул або часток порошку.

Сушіння термопластів ведеться до вмісту вологи у соті частки відсотка. Припустимий вміст вологи в порошках реактопластів може досягати 2,5-3,5 %. Реактопласти досушуються в процесі попереднього підігріву й таблетування. Надлишкова волога призводить до збільшення пористості, появи міхурів, зниження термостійкості (особливо − ПК, ПЭТФ), погіршення фізико-механічних властивостей. Найбільш гігроскопічні термопласти - поліаміди.

Розчинення. Для виготовлення плівок, клеїв, лаків, покриттів, а також, іноді, армованих пластиків, застосовуються розчини полімерів або олігомерів. При розчиненні вирішуються два основні завдання:

− підбор розчинника, виходячи з хімічної будови, фазових властивостей і термодинамічних умов;

− прогнозування властивостей розчину й виробів з нього.

Вибір розчинника здійснюють за подобою хімічної будови й полярності з полімером, що можна визначити з урахуванням термодинамічних закономірностей розчинів полімерів. Для цього використовують ізобарно-ізотермічний потенціал :

,

(10.24)

де й - парціальні тиски пари відповідно над чистим розчинником і над розчином. Мимовільне розчинення має місце за умови , тобто < 1. При ( ) спостерігається необмежене набрякання – полімер може примусово перейти в розчин при підвищенні температури або інтенсивному механічному диспергуванні. Якщо ( ) розчин не утворюється.

Якість виробу, отриманого з розчину, залежить від багатьох факторів, основними з яких є:

− фізико-хімічна взаємодія між розчинником і полімером, що у більшому або меншому ступені впливає на конформацію макромолекул, а, отже, і на надмолекулярну структуру полімеру у виробі;

− питома теплота випаровування розчинника;

− швидкість випаровування, що впливає на фізико-механічні властивості плівки: висока швидкість ускладнює технологічний процес й утрудняє сушіння, оскільки утворюється захисна поверхнева кірка.