5.2 Производство изделий из пластмасс

Пластмассами называют неметаллические материалы на основе высокомолекулярных соединений, состоящих из макромолекул. В зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул полимеры могут находится в аморфном и кристаллическом состояниях.

Под действием теплоты аморфные и кристаллические пластмассы можно перевести из твердого (стеклообразного) состояния в высокоэластич-ное и вязко-текучее состояние, что является важным для выбора температурных интервалов формования деталей из пластмасс.

Отдельные полимеры с увеличением температуры разлагаются, не переходя в вязко-текучее состояние.

В зависимости от поведения при повышенных температурах пластмассы делят на две группы: термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты (капрон, винипласт, полиэтилен, полистирол и др.) при нагревании могут переходить из твердого состояния в жидкое и наоборот без изменения химического состава.

Реактопласты (текстолита, стеклопластики, фенопласты, эпоксидные смолы и др.) при нагревании легко переходят в вязкотекучее состояние, но при дальнейшем нагреве в результате химических реакций переходят в твердое нерастворимое состояние.

Отвердевшие реактопласты повторным нагревом нельзя перевести в вязко-текучее состояние. Реактопласты имеют более стабильные свойства.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяют на простые (полиэтилен, полистирол и т.д.), состоящие из одного компонента - синтетической смолы, и композиционные (фенопласты, аминопласты и др.), в которых смола (З0-70%) является связующим для других составляющих.

В состав композиционных пластмасс входят следующие составляющие:

- наполнители (древесная мука, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, графит, асбест, стекловолокно и др.) обеспечивают повышение механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения себестоимости;

- пластификаторы (касторовое масло, дибутилфталат и др.) уменьшают хрупкостьпластмасс;

- смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.) уменьшают трение между частицами и в прессформе;

- катализаторы (известь, магнезия и др.) ускоряют отвердение пластмасс;

- красители (сурик, мумиё, нигрозин и др.) придают пластмасс нужный цвет;

- газообразователи, вещества которые разлагаются при нагревании с выделением газообразных продуктов, применяются для получения поро- и пенопластов и др.

Технологический процесс переработки пластмасс имеет возможность совмещения процесса получения исходного материала с заданными свойствами, формования заготовки и получения готовой продукции.

В зависимости от физического состояния полимеров, влияния нагрева и других факторов существуют различные способы переработки пластмасс.

5.2.1 Способы переработки пластмасс в вязко-текучем состоянии:

прямое прессование, при котором пресс-материал под влиянием нагрева и давления (0,5-2,0 МПа) переходит в вязкое состояние и заполняет полость формы. После выдержки (0,5-2,0мин на 1мм толщины) под давлением деталь извлекается. В процессе полимеризации (отвердения) выделяются газы, для их удаления производят подпрессовки (обратные движения пуансона).

Таким прессованием получают детали средней сложности и небольших размеров их термореактивных материалов с порошкообразными и волокнистыми наполнителями;

литьевое прессование заключается в том, что материал загружают в специальную камеру и нагревают до 140-175°С, а затем выжимается Р =200-500 МПа в полость матрицы пресс-формы. Получают детали сложной формы, в том числе резьбовые. Недостатком является получение пресс-остатка материала.

Прессование на плитах многоэтажных прессов получают листы и плиты из термореактивных материалов (текстолит, стекловолокнит и др.) при этом заготовки материала (ткани и др.) пропитывают смолой и укладывают между горячими плитами пресса, выдержка под давлением зависит от толщины изготовляемых плит.

Литье под давлением состоит в том, что расплавленный материал порциями через литниковую систему поршнем подается в полость пресс-формы. Получают сложные детали с ребрами жесткости, резьбами и т.д.

Центробежное литье пластмасс принципиально не отличается от центробежного литья металлов. Получают крупногабаритные и толстостенные детали, имеющие форму тел вращения (трубы, кольца, шкивы, зубчатые колеса и т.д.).

Непрерывное выдавливание широко применяется для получения труб различных профилей, лент и пленок, изоляции на провода, кабели, полых изделий. Выдавливание осуществляют на специальных червячных машинах. Этим способом перерабатывают 65% термопластичных полимерных материалов.

Получение пленок и листов производят методами непрерывного выдавливания через плоские щелевые головки (листы шириной до 1600мм), каландрирования валками (лист, пленку толщиной до 0,05мм), раздува рукавов сжатым воздухом (пленку толщиной до 40мкм), полива полимера, разведенного растворителем, через щелевое отверстие на ленту конвейера, где растворитель испаряется (пленки из нитроцеллюлозы, ацетата, вискозы, фото- и кинопленок).

5.2.2 Переработка пластмасс в детали в высокоэластичном состоянии выполняется следующими способами.

Пневматическая и вакуумная формовка производится сжатым воздухом (пневмоформовка) или под давлением атмосферного воздуха, при этом заготовка и воздух предварительно подогревается до 50-70°С. Получают детали сложной конфигурации, в том числе из жестких термопластов.

Штамповка пластмасс производится с помощью матрицы и пуансона, изготовленных из дерева или других неметаллических материалов. Штамповка может проводиться жестким и эластичным пуансоном. При штамповке козырьков, обтекателей, стекл кабин и других изделий из органического стекла давление прессования ограничивают, т.к., превышение давления приводит к ухудшению оптических свойств стекла.

Изготовление деталей из стеклопластиков производится различными методами, основными из них являются:

Контактная формовка - применяют для получения крупногабаритных деталей с наполнителями из стеклотканей и стекломатов. При этом на форму наносят разделительный слой (целлофановую пленку и др.), затем слой связующего с отвердителем (эпоксидная или полиэфирная смолы), далее слой раскроенной стеклоткани, которую прикатывают резиновым роликом. Затем снова наносят слой связующего, стеклоткань и т.д. до получения заданной толщины. Отвердение производят при комнатной температуре в течение 5-50 ч или при повышенной температуре 60-120 С, при этом время значительно сокращается.

Вихревое напыление применяется для изготовления кузовов автомобилей, корпусов лодок, емкости и т.д. Стекловолокно и полиэфирную смолу с отвердителем и ускорителем наносят на форму специальным пульверизатором.

Центробежная формовка применяется для получения деталей, имеющих форму тел вращения. После центробежной формовки в форму помещают резиновый мешок, с помощью которого создается давление на заготовку сжатым воздухом. В таком состоянии происходит отвердение.

Намотка применяется для получения стеклотекстолитовых труб. При этом на вращающуюся оправку, покрытую защитной пленкой, наносят связующее и стекловолокно или стеклоленту.

Способность жидких полимеров отвердевать при комнатной температуре используют для изготовления разнообразных изделий, в том числе технологической оснастки (шаблоны, штампы, пресс-формы и т.д.).

5.2.3 Получение деталей из пластмасс в твердом состоянии производится без нагрева путем разделительной штамповки и обработки резанием. Разделительной штамповкой получают изделия из листовых материалов, труб и прутков для радиотехнических, электронных и других приборов. Листовые пластмассы раскраивают ножницами различных конструкций или распиливают специальными пилами или особыми фрезами и карборундовыми абразивными кругами. При разделительных операциях необходимо применять специальной формы ножницы, сильный прижим материала по контуру среза, учитывать направление волокон, вид наполнителя в полимере и т.д.

При обработке резанием пластмасс нарушается поверхностная смоляная пленка. Это приводит к снижению химической стойкости и повышения влагопоглощения пластмассовых деталей. Кроме того пластмассы имеют белое низкие механические характеристики по сравнению с металлами, низкую теплопроводность, что приводит к концентрации тепла в зоне резания и размягчению оплавлению и прожогу материала. При обработке термопластов максимальная температура не должна превышать 60-120⁰С, реактопластов -120-160°С. Наполнители, особенно абразивные, значительно затрудняют обработку резанием пластмасс. С учетом этих особенностей проводят точение, сверление, фрезерование, шлифование, полирование пластмасс.

5.2.4 Неразъемные соединения из пластмасс получают сваркой и склеиванием. Сварку применяют только для соединения термопластичных материалов, при этом нагрев производится до вязкотекучего состояния. Сваривание происходит главным образом вследствие диффузии частей молекулярных цепей одного объема пластмассы в другом. Различают сварку нагретым газом (воздух, и др.), инструментом, присадочным материалом, трением, ТВЧ, ультразвуком (пластмассы с металлом) и др.

Склеивание пластмасс между собой, а также с другими материалами производят с помощью растворителей и клеев. Детали из термопластов соединяют с помощью растворителей или специальных клеев (полистирол-бензолом, оргстекло, винипласт-ди-хлоретаном, ацетоном), Склеивание полиэтилена, полипропилена и других неполярных пластмасс связано с определенными трудностями, необходимо проводить предварительную химическую обработку поверхностей (например, раствором двухромовокислого калия в концентрированной серной кислоте). После чего склеивать можно полиуретановыми или фенолформальдегидными клеями. Такими же клеями с добавками специальных растворителей (без предварительной обработки) склеивают термореактивные материалы. Широкое применение имеют клеи БФ-2, БФ-4, ВИАМ-Б-3, ПУ-2 и др., а также термостойкие клеи: ВС-10Т, ВС-350, ВК-32-250, Эпоксид-II, ВКТ-3 и др.

5.2.5 Достоинства, недостатки и применение пластмасс. Изготовление изделий из пластмасс характеризуется высоким коэффициентом использования материала (0,85-0,95), малой трудоемкостью, высокой механизацией и автоматизацией. Широкое применение пластмасс обусловлено их ценными свойствами: малой плотностью, высокой удельной прочностью, высокой химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах (фторопласт и др.), хорошими диэлектрическими, антифрикционными, фрикционными и др. свойствами.

Наряду с достоинствами пластмассы имеют и недостатки: низкая теплостойкость, большая ползучесть, способность медленного и самопроизвольного перехода из состояния упругих деформаций в пластические, низкая поверхностная твердость, дистрикция (старение).

Однако, несмотря на эти недостатки пластмассы, нашли широкое применение в промышленности как самостоятельные машиностроительные материалы. Наибольшее применение имеют: полиэтилен (ВД, ПЭ150, ПЭ 500, ρ = 0,92 г/см³, σ_в=10-16 МПа, δ = 150-500%, трубы шланги, емкости химической промышленности), фторопласт-3,4 (ρ = 2,1г/см³, (σ_в =50-60 МПа, δ=300%, подшипники, не растворяются ни в одном растворителе при 300⁰С), капрон (ρ=1,1-1,Зг/см³, σ_в = 55 МПа,δ = 100%, подшипники, зубчатые передачи, канаты, стропы и др.), полистирол (аккумуляторные баки, щелевые фильтры, σ_в=35 МПа), гетинакс (ρ =1,3-1,4г/см³, σ_в=70-100 МПа, электротехнические изделия - 60-70°С), текстолит (ρ=1,3-1,45г/см³, σ_в=45-I00 MIIa, шестерни, подшипники и др.), стеклотекстолит (ρ =1,6-1,85г/см³, (σ_в=100-500 МПа, кузова, лодки, детали машин, фюзеляжи самолетов-снарядов и др.) и т.д.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем отличаются термопластические пластмассы от термореактивных?

2. Какие компоненты входят в состав композиционных пластмасс и их назначение?

3. Какие известны способы переработки пластмасс в изделия в вязко-текучем состоянии?

4. Какие известны способы переработки пластмасс в изделия в высоко-эластичном состоянии?

5. Какие известны методы изготовления деталей из стеклопластиков?

6. Особенности получения деталей из пластмасс в твёрдом состоянии.

7. Особенности сварки и склеивания пластмасс.

8. Достоинства, недостатки и применение пластмасс.