1.3.2. Технологии формирования полуфабрикатов и формования изделий из тпкм, твпкм.

В отличие от высококонцентрированных низковязких растворов термореактивных связующих на основе смесей олигомеров растворы высокомолекулярных термопластичных полимеров (если они растворяются) становятся геле(студне)подобными при концентрации термопластов в 3-6 % масс. Полуфабрикаты ТПКМ получают различными способами, используя жидкофазное или «твердофазное» совмещение компонентов с последующей пропиткой наполнителей термопластичными связующими, нагретыми выше их температуры текучести (расплавная технология) и формированием изделий из таких полуфабрикатов различными технологическими приемами (литье под давлением, экструзия для композиций с дисперсными наполнителями; прессование, штамповка, намотка, пултрузия и др. для композиций с длинномерными волокнистыми наполнителями).

Технологиями получения полуфабрикатов ТПКМ с дисперсными наполнителями (порошки, волокна длиной от нескольких мм до нескольких см с ограничением объема наполнения до 30-40%) являются:

1) предварительное сухое смешение компонентов ТПКМ (дисперсных наполнителей и порошков термопластов) в смесителях различных типах (например, барабанных, смешение проходит за счет циркуляции сыпучих компонентов под воздействием центробежных и гравитационных сил), вальцеванием, вибрационным воздействием с частотами до 20 000 Гц, ультразвуковым воздействием, электростатическим газопламенным, плазменным напылением, в устройствах, обеспечивающих образование псевдосжиженного «кипящего» слоя, смешение термопластов и наполнителей в инертных жидкостях с последующим фильтрованием;

2) жидкофазное совмещение (пропитка) дисперсных наполнителей с термопластичными связующими с использованием кабельной (в экструдерах) и пултрузионной технологий (рис.35) с последующим гранулированием или непосредственной переработкой в формованные изделия традиционными для термопластов способами (соответственного одно-и двухстадийный процессы).

Формование изделий из полуфабрикатов ТПКМ (в основном, в виде гранул) с дисперсными наполнителями проводят литьем под давлением, экструзией, при переводе композиции в вязкотекучее состояние.

Так как количество полимера, адсорбированного твердой поверхностью наполнителя зависит от молекулярной массы полимера, то присутствие наполнителя в расплаве высокомолекулярного полимера приводит к интенсивному возрастанию вязкости композиции и для сохранения приемлемой текучести композиции при переработки её в изделие литьем под давлением, экструзией требуется увеличение напряжений сдвига (при 25% масс. наполнителя в полиэтилене - в 2 раза).

В процессе получения расплава, его гомогенизации и заполнения им формы полимер

подвергается интенсивному воздействию высокой температуры и сдвиговых напряжений при контакте с кислородом воздуха и металлической поверхностью формующего оборудования.

В процессе формования связующее ТПКМ находится в вязкотекучем состоянии в материальном цилиндре литьевой машины, композиция впрыскивается в форму, имеющую температуру ниже Т_с связующего. В процессе течения по литниковым каналам и оформляющей полости полимер и дисперсные волокна частично ориентируются. После заполнения формы композицию уплотняют и выдерживают до охлаждения ниже Т_с связующего, в результате чего фиксируется приданная композиции форма.

В процессе экструзии наполненный расплав ТПКМ выдавливается из материального цилиндра экструдера через оформляющую головку, в которой изделию придается заданная форма, фиксируемая при охлаждении композиции ниже Т_с связующего.

Высокий крутящий момент на шнеке экструдера в сочетании с малой скоростью его вращения позволяет обеспечить термостабильность расплава термопласта и перерабатывать композиции с высоким содержанием наполнителей.

В идеале необходимо выдержать композицию в течение времени, достаточного для образования равновесной структуры связующего в адсорбционном межфазном объеме, но в большинстве случаев композицию охлаждают до наступления адсорбционного равновесия, «замораживая» межфазный объем неоптимальной структуры, что оказывает влияние на уровень эксплуатационных свойств ТПКМ и их зависимость от параметров процесса совмещения компонентов.

Наполнение термопластов дисперсными наполнителями позволяет (без существенного ухудшения технологических свойств) получать ТПКМ с более высокой устойчивостью к длительному нагружению, с повышенной прочностью при циклических нагрузках, стойкостью к растрескиванию, большей жесткостью и стабильностью размеров изделий, деформационной теплостойкостью (НДТ), с требуемыми элекрофизическими, теплофизическими, триботехническими, специальными свойствами.

Технологиями получения полуфабрикатов ТВПКМ с наполнителями из непрерывных волокон являются:

1)жидкофазное совмещение термопластичных связующих в виде растворов, суспензий, расплавов с наполнителями в виде нитей, лент, тканей. Скорость пропитки волокнистых наполнителей расплавами термопластов даже с вязкостью около 1000 Па·с не превышает 2,5-5,0 см/мин и стремится к нулю при отсутствии внешнего давления;

2) « твердофазное» совмещение, когда

а) термопласты в виде порошка наносятся на поверхность наполнителей (используются технологии ультразвукового и вибрационного воздействия, наполнение в электростатическом поле, газопламенное с фиксацией матричных частиц в объеме полуфабриката);

б) термопласты используются в виде пленок, чередованием слоев которых и слоев наполнителей в виде тканей, лент, нитей собираются заготовки требуемого состава и структуры с последующим уплотнением и формованием изделий (пленочная технология);

в) Термопласты используются в виде матричных волокон при изготовлении полуфабрикатов (отличающихся по составу и способам изготовления) совмещением матричных и армирующих волокон при ткачестве, плетении, при совместной протяжке через формующие устройства, намоткой или укладкой армирующих и матричных волокон на оправку, при получении биволокон с последующим уплотнением и формованием изделий (волоконная технология).

Полуфабрикаты ТВПКМ имеют длительную жизнеспособность и используются для послойного комбинирования листовых заготовок или схем (типов) намотки для получения изделий с требуемой анизотропией свойств.

Пленочные и волоконные полуфабрикаты используют для формования изделий из термопластичных стекло-, угле-, органоволокнитов, поливолокнистых (гибридных) пластиков различными технологическими способами.

Переработка полуфабрикатов ТВПКМ в изделия связана с переводом термопластичного связующего в эластическое (штамповка и её разновидности) или в вязкотекучее состояние с последующим формованием изделий высокопроизводительными, непрерывными , практически безотходными ( с возможностью вторичной переработки) способами без проведения химических реакций (пултрузия, намотка, автоклавное, термокомпрессионное формование, прессование) с фиксированием формы изделий при стекловании (кристаллизации) матричного термопласта.

Штамповкой формуют изделия из заготовок ТВПКМ, имеющих в большинстве случаев форму пластины. Полуфабрикаты нагревают до эластичного состояния связующего, подвергают плоскостной вытяжке с помощью избыточного давления газа или жесткого пуансона.

Термопластичные матрицы обеспечивают экологичность, ремонтопригодность (сварочная сборка), а ТВПКМ расширяют возможности конструкционных материалов, в том числе, многослойных (Алоры, броневые материалы).