Сновные теоретические положения

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПЛАСТМАСС И ПРОЦЕССЫ

ПЕРЕРАБОТКИ ИХ В ИЗДЕЛИЯ

ель проведения лабораторной работы

Изучить различные типы пластмасс, их свойства и технологические приемы переработки в изделия.

Задачи проведения лабораторной работы состоят в том, чтобы

знать: основные технологические процессы изготовления изделий из неметаллических материалов.

уметь: ознакомление с технологическими процессами изготовления изделий из неметаллических материалов.

сновные теоретические положения

Пластмассами называются материалы, получаемые на основе полимерных соединений или их смеси с различными веществами, обладающие способностью формоваться в изделия.

По отношению к действию тепла пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные. Свойства термопластичных пластмасс обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении, термореактивные – не переходят в пластичное состояние при изменении температуры.

Пластмассы могут быть простыми, представляющими собой чистые полимеры, и сложными, в состав которых помимо полимера вводят наполнители, пластификаторы, красители и другие специальные добавки.

Термопластмассы дают незначительную усадку при формовании (1-3 %), а при изготовлении изделий из термореактивных смол усадка может составлять 10-18 %. Для снижения усадки и повышщения механических свойств в состав пластмасс вводят наполнители, которые могут быть: 1) порошковыми (кварцевая, асбестовая или древесная мука); 2) волокнистыми (стекловолокно, асбестовое волокно, хлопковые очесы); 3) листовыми (стеклоткань, асбестовая или хлопчатобумажная ткань, древесный шпон, бумага). К важнейшим термопластичным пластмассам относят полиэтилен, полистирол, фторопласты – и 4, поливинилхлорид, органическое стекло. Полиамиды (капрон, нейлон, лавсан). Для этих пластмасс характерны высокая химическая стойкость (особенно фторопласты), хорошие диэлектрические свойства, механическая прочность (капрон), низкий коэффициент трения (фторопласт-4) и др. Некоторые физико-механические свойства представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Средние значения физико-механических свойств

термопластичных пластмасс

Свойства	Полиэтилен	Полистирол	Фторопласт 4	Фторопласт 3	Органическое стекло	Винипласт	Капрон
Плотность, г/см3	0,94	1,1	2,2	2,1	1,2	1,4	1,1
Рабочая температура, оС максимальная минимальная	+120 -70	+80 -20	+250 -270	+125 -195	+60 -60	+65 -40	+110 -35
Предел прочности, кг/мм2	21,5	4,0	2,3				4,5
Относительное удлинение, %		2,0			3,2

Основные области применения: трубы, арматура, емкости, пленочные материалы, электроизоляционные детали, волокна, детали приборо- и машиностроения.

Важнейшие термореактивные пластмассы подразделяются на пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики. В качестве связующего используют фенольно-формальдегидные и эпоксидные смолы, а также кремнийорганические и элементоорганические соединения: средние значения физико-механических свойств фенопластов на основе фенольно-формальдегидной смолы с наполнителями представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Физико-химические свойства фенопластов

Свойства	Порошковые	Волокнистые	Слоистые
фенопласт	волокнит	стеклотекстолит	текстолит	древесный слоистый пластик (ДСП)
Плотность, г/см3	1,4	1,4	1,85	1,35	1,35
Теплостойкость по Мартенсу, оС
Предел прочности, кг/мм2	4,5	6,0		8,0
Модуль упругости, кг/мм2

Из пресспорошков изготавливают малонагруженные корпуса и крышки приборов, волокнистые и слоистые пластики предназначены для шестерен, подшипников, кузовов автомашин, трубки, емкостей для агрессивных жидкостей, жаростойких покрытий и др.

Особую группу составляют газонаполненные пластмассы. Они подразделяются на пенопласты, у которых микроскопические ячейки, заполненные газом, не сообщаются между собой, и поропласты, у которых ячейки соединяются между собой. Образование пенистой структуры достигается введением порофоров, разлагающихся при нагревании с выделением газов.

Эти материалы отличаются высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами и находят применение в строительстве, судо- и самолетостроении. Являясь легким заполнителем, пенопласт повышает удельную прочность, жесткость и вибростойкость силовых элементов конструкций.

Пластмассы перерабатывают в изделия различными способами.

Прессование.

Различают прямое и литьевое прессование. В обоих случаях процесс формования осуществляют в металлических прессформах на гидравлических или механических прессах.

При прямом прессовании (рисунок 5.1, а) прессматериал в виде порошка или таблеток загружается непосредственно в оформляющую полость нижней части прессформы – матрицы, нагретой до температуры прессования. При этом прессматериал размягчается, приобретая пластичность, и под давлением верхней части прессформы – пуансона заполняет всю рабочую часть. Отформованное изделие выдерживают в прессформе под давлением в течение определенного времени, необходимого для отвердения материала. Затем прессформу раскрывают и извлекают изделие.

Литьевое прессование характеризуется тем, что оформляющая часть прессформы отделена от загрузочной камеры и сообщается с ней через литниковые каналы (рис. 1,в). Прессматериал нагревается от стенок загрузочной камеры и под давлением пуансона выдавливается через литниковый канал в оформляющую полость прессформы.

1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – материал; 4 – выталкиватель;

5 – изделие; 6 – загрузочная камера

Рисунок 5.1 - Схема прямого (а) и литьевого (б) прессования:

Литье под давлением.

Этим методом перерабатывают все термопластичные и некоторые термореактивные полимерные материалы. При изготовлении изделий методом литья под давлением полимер нагревают до вязкотекучего состояния, затем с помощью поршня впрыскивают в полость закрытой формы. После охлаждения из формы извлекают готовое изделие.

Схема литьевой машины изображена на рисунке 5.2.

Цикл литья под давлением состоит из следующих стадий:

1) смыкание формы;

2) впрыск расплава в форму;

3) выдержка в форме под давлением;

4) охлаждение изделия в формы;

5) раскрытие формы и выталкивание изделия.

В данном способе пластикация полимера происходит одновременно с охлаждением изделия. Охлаждается изделие быстро, т.к. температура формы в момент впрыска расплава невысокая. Поэтому литье под давлением более прогрессивный метод, чем прессование.

Достоинством метода является и то, что полученное этим методом изделие требует незначительной дальнейшей обработки.

Большое значение в процессе литья под давлением имеет вязкость расплава, которая определяет усилие, необходимое для впрыскивания расплава в форму.

1 – загрузочная камера с нагреваниями 2 и поршнями 3; 4 – литейная форма;

5 – изделие; 6 – устройство для раскрытия формы.

Рисунок 5.2 - Литьевая поршневая машина

Экструзия.

Экструзия – это технологический процесс, заключающийся в придании материалу нужной формы в поперечном сечении путем продавливания его через профилирующий инструмент.

Методом экструзии изготавливают трубы, литье, пленки, профильные полосы, кабельные оболочки и др.

Экструдер обеспечивает одновременно нагрев полимера и гомогенизацию вследствие больших деформаций сдвига и создает давление, необходимое для непрерывного продавливания материала через формующую головку. Наиболее широкое применение в промышленности переработки полимерных материалов получили одночервячные экструдеры (рисунке 5.3).

1 – бункер; 2 – система охлаждения; 3 – система обогрева;

4 – червяк; 5 – клапан для регулировки давления; 6 – узел крепления головки;

7 – двигатель; 8 – передача

Рисунок 5.3 - Схема экструдера

Экструдированный материал поступает на переработку в виде гранул, порошка или полосы (резиновые смеси).

Для переработки на экструдерах пригодны различные полимеры с достаточно хорошей текучестью расплава и не содержащие посторонних включений.

Формирование изделий из листов.

Изделия из нагретых листов формуют путем их вытяжки и прижима к поверхности формы. Крупногабаритные изделия с небольшой толщиной стенок изготавливают только этим методом. Усилие для формования может быть создано механически, гидравлически, пневматически, с помощью вакуума или совместным действием каких-либо усилий, например механического и пневматического.

На рисунке 5.4 показаны следующие схемы формования листов:

1. Штамповка – формование нагретого листа при помощи матрицы и пуансона.

2. Формование с использованием листа – натягивание нагретого листа на неподвижную форму (пуансон). Лист помещают на нижнюю половину рамы и нагревают. Затем прижимную раму замыкают, опускают ее вниз, натягивая при этом зажатый в ней лист на неподвижную форму. Усилие, с которым смыкаются обе половины рамы, позволяет листу проскальзывать между ними по мере их опускания.

3. Пневмоформование – вытяжка нагретого листа пластика сжатым воздухом.

4. При вакуумном формовании из полости между листом и формой откачивается воздух.

За счет разности давлений атмосферного и в полости между листом и матрицей нагретый лист вытягивается и прижимается к поверхности формы.

а – штампование (1 – матрица; 2 – лист; 3 – пуансон; 4 – отверстие для выхода воздуха; 5 – прижимная рама); б – формование с проскальзыванием листа в прижимной раме (1– пуансон; 2 – верхняя прижимная полурама; 3 – упор; 4 – нижняя прижимная полурама); в – формование сжатым воздухом (1 – матрица; 2 – прикладка; 3 – отверстие для выхода воздуха); г – вакуум-формование (1 – матрица; 2 – вакуумный стол; 3 – вакуумные каналы; 4 – прижимная рама).

Рисунок 5.4 - Методы формования изделий из листового материала

Листовой материал для формования должен обладать комплексом особых свойств: должен удлиняться в нагретом состоянии до заданных величин и при нагревании не разлагаться; охлажденное изделие должно сохранять придающую ему форму в обычных условиях.

Каландирование – процесс получения полотна заданной толщины путем обработки размягченного полимера на каландрах.

Максимальная ширина полотна зависит от ширины валков, а толщина его регулируется величиной зазора между валками. Каландры разных конструкций показаны на рисунке 5.5. Для регулирования зазора между валками каландры оснащены устройствами, которые обеспечивают перемещение валков в обоих направлениях. Полимерный материал непрерывно подается в питающий зазор между валками только дин раз. В последнем зазоре полотно калибруется с нужной точностью и оттягивается натяжными роликами, вращающимися с регулируемой скоростью.

Рисунок 5.5 - Схема размещения валков 1 – Г, l, Z-образных каландров.

Каландирование применяется для производства пленок и листовых материалов, для тиснения поверхности пленок и листов, обработки поверхности жестких полимерных материалов, дублирования пленок с тканью.

Метод намотки.

Данным методом изготавливаются из композиционных материалов трубы и полые изделия, имеющие форму тел вращения. В качестве наполнителя применяют стеклоткань, стекловолокно, которое наматывают на вращающуюся оправку, а связующим являются термореактивные смолы. Существуют следующие способы нанесения смолы на волокно:

- предварительная пропитка волокна;

- нанесение смолы на волокно непосредственно перед намоткой;

- пропитка изделия после намотки волокна на оправку.

Схема установки для намотки показана на рисунке 5.6.

1 – стеклоплавильный сосуд; 2 – пропиточная ванна;

¾ - направляющие ролики; 5 – раскладчик; 6 – формирующий дорм

Рисунок 5.6 - Схема установки для одностадийной намотки кольцевых образцов

После окончания намотки изделие оставляют на оправке и нагревают до полного отвердения связующего.

орядок проведения работы

5.3.1 На коллекции образцов пластмасс изучить классификацию, физико-механические свойства и структуру.

5.3.2 Изучить технологические способы переработки полимерных материалов.

5.3.3 Подобрать полимерные материалы, которые могут быть переработаны методами прессования, литья под давлением, экструзией, каландрованием, намоткой.

5.4 Контрольные вопросы

1. Какие свойства полимерных материалов обусловливают возможность их применения в качестве теплоизоляционных?

2. Как влияют технологические факторы прессования на точность размеров их в качестве изделия?

3. Как зависит степень ориентации макромолекул полимера от режима литья изделий?

4. Укажите основные виды дефектов при переработке полимерных материалов в изделия.

5. Какие существуют способы соединения изделий из пластмасс?

Список рекомендуемой литературы

Торнер Р.В. Основные процессы переработки полимеров.– М.: Химия, 1978.- 568 с.

Мозберг Р.К. Материаловедение. –Таллин: Валгус, 1976.- 387 с.