Термомеханические основы переработки полимеров
Полимеры состоят из цепочечных (линейных) или сетчатых макромолекул. Молекулы после достижения ими определенной длины приобретают гибкость, т. е. способность свертываться и развертываться под действием теплового движения и внешнего силового поля. Это качество определяет все характерные особенности механических и физических свойств полимеров.
Полимеры с молекулярной массой менее 103 называют олигомерами (смолами).
По форме молекулы полимера делятся на:
1) Линейные (в т. ч. разветвленные)
2) Сетчатые, которые могут быть:
а) густосетчатыми
б) редкосетчатыми
Сетки – беспорядочные, некристаллические структуры.
Гибкость линейных макромолекул или линейных участков в сетчатых полимерах реализуется путем вращений одинарных химических ковалентных связей вдоль по цепи, расположенных под углом 120°.
В полимерах линейного и разветвленного строения молекул – термопластах – суммарная энергия физических сил взаимодействия звеньев соседних молекул настолько велика, что полностью исключает отрыв всей молекулы от массы полимера, а в отдельных случаях делает невозможным взаимное перемещение молекул. Поэтому линейные полимеры нельзя перевести при нагреве в газообразное (а при очень большой молекулярной массе – и в жидкое) агрегатное состояние.
Сетчатые – термостабильные полимеры (весь кусок сетчатого полимера – одна гигантская макромолекула) – при нагреве невозможно перевести даже в жидкое состояние, так как взаимное неограниченное перемещение линейных участков сетки может происходить только с разрушением химической ковалентной связи между ними, т. е. с деструкцией.
Таким образом, полимеры могут существовать только в двух агрегатных состояниях: твердом и жидком.
Молекулы полимеров могут образовывать участки с высокой и низкой упорядоченностью, т. е. находиться в двух фазовых состояниях. Фаза, в которой соблюдается дальний порядок расположения звеньев макромолекул, называется кристаллической. При отсутствии такого порядка взаимного расположения звеньев и макромолекул полимеры находятся в аморфной (термодинамически неравновесной, метастабильной, переохлажденной, жидкой) фазе.
Благодаря указанной выше гибкости длинных цепных молекул аморфные полимеры имеют три физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее. Переход из одного физического состояния в другое является следствием изменения характера теплового движения системы полимерных молекул.
Линейные и разветвленные полимеры могут находиться в кристаллической фазе и во всех трех физических состояниях аморфной фазы. Аморфный полимер при изменении температуры обратимо переходит из одного физического состояния в другое постепенно, и столь же постепенно меняются его физические и механические свойства.
Термостабильные густосетчатые полимеры с нерегулярным расположением поперечных связей находятся только в аморфном (стеклообразном) состоянии.
Термостабильные редкосетчатые полимеры могут находиться в стеклообразном и высокоэластическом состояниях.
Все технологические и эксплуатационные свойства полимеров зависят от физического или фазового состояния, которое обнаруживается с помощью термомеханических кривых (ТМК).
ТМК – есть результат эксперимента, в котором образец полимера нагревают с постоянной скоростью k @ 1 град/мин (T=kt, где t – время) и дискретно нагружают невысокой постоянной нагрузкой P. Наблюдаемую при этом деформацию Dl откладывают на графике в координатах «T - Dl» по оси ординат, указав параметр P. Таким образом ТМК есть двухпараметрическая зависимость Dl = f(P,T).
При охлаждении образец полимера (если не произошла деструкция) проходит все три физических состояния в обратном порядке. Так можно совершать многократно.
Аморфные (незакристаллизованные) линейные полимеры имеют типичную кривую, показанную на рис.1 . На рисунке обозначены температурные интервалы, соответствующие трем физическим состояниям полимера.
В температурном интервале Т ниже температуры стеклования Тс полимер находится в твердом стеклообразном состоянии. Здесь тепловое движение совершают в основном только атомы внутри звеньев. Время между двумя поворотами звеньев чрезвычайно велико, и в полимере зафиксировано (заморожено) беспорядочное «жидкое» расположение молекул. Конформации беспорядочно расположенных молекул соответствуют их термодинамически выгодной форме свернутости при охлаждении к моменту стеклования.
В этом температурном интервале Т<Тс (интервал I) эксплуатируют детали из термопластичных твердых полимеров и пластмасс, т. к. полимер и деталь из него твердые. Температура стеклования Тс » 80°C обычно является верхней рабочей температурой Траб. мах. изделий из термопластов и определяет теплостойкость материала.
С повышением температуры Тс<Т<Тт полимер переходит в высокоэластическое (резиноподобное) физическое состояние (интервал II). Здесь тепловое движение состоит в самопроизвольной (а при действии силы P - направленной) обратимой подвижности (вращении) звеньев макромолекул при неизменности взаимного расположения центров тяжести последних.
В этом физическом состоянии перерабатывают в изделия методом вакуумного формования листовые заготовки термопластов и эксплуатируют резины.
При дальнейшем нагреве выше температуры текучести Тт<Тс<Тд (интервал III) физическое межмолекулярное взаимодействие совсем ослабевает и вступает в действие третий тип теплового движения. В результате подвижности групп звеньев – сегментов – получают взаимную подвижность целые макромолекулы. Следует учитывать, что смещаются они относительно друг друга постепенно, по частям. Поэтому полимер переходит не в жидкое (как вода), а лишь в вязкотекучее физическое состояние. В этой температурной области линейные полимеры и термопластичные пластики перерабатывают в изделия.
При нагреве выше температуры деструкции Тд тепловое движение столь интенсивно, что
происходит необратимое, невосстановимое химическое разложение (разрыв на мелкие фрагменты) макромолекулы полимера. Тд определяет термостойкость полимера.
Линейные полимеры за то, что они при нагреве постепенно размягчаются и текут, а при охлаждении вновь затвердевают, назвали термопластичными. Кроме того, надо помнить, что термопластичные полимеры (термопласты) при контакте с органическими жидкостями набухают и затем растворяются (по правилу: полярный – в полярном, неполярный – в неполярном), образуя лаки и клеи.
Кристаллические полимеры, в которых макромолекулам удается организовывать дальний порядок, до температуры плавления Тпл кристаллической фазы сохраняют твердость, после чего переходят в аморфное состояние; при этом в зависимости от ТМК они либо остаются твердыми стеклообразными, или сразу становятся высокоэластичными или текучими. Кристаллизующиеся полимеры: полиэтилен, полиамиды (капрон), политетрафторэтилен (фторопласт или тефлон) – непрозрачны. Аморфные полимеры – полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло), поливинилхлорид (ПВХ), поликарбонат, силиконы, карбамиды - прозрачны.
Термостабильные густосетчатые полимеры всегда находятся в твердом аморфном физическом состоянии (рис. 1б, кривая 1); их термомеханичекая кривая не имеет ни II, ни III участка. Это значит, что детали из них твердые до температуры Тд.
Редкосетчатые полимеры (резины) могут проявлять высокоэластичность (рис. 1б, кривая 2). Ниже Тс резины перестают работать по назначению Траб. мин.»Тс , т. е. Тс характеризует морозостойкость резин.
Рис. 1 Термомеханические кривые.
а - для линейного аморфного высокополимера (термопласта); б - для полимеров с густосетчатой (кривая 1) и редкосетчатой (кривая 2) формой макромолекулы; в - изменение свойств термореактивного олигонера в процессе отверждения по схеме поликонденсации.
Все сетчатые полимеры не переходят в вязкотекучее физическое состояние.
При Тд » Траб. макс. они подвергаются термическому разложению – деструкции.
Пластмассы (пластики) – это материалы на основе синтетических полимеров, способные при нагревании под давлением приобретать заданную форму и сохраняют ее в процессе эксплуатации изделия. Главными компонентами пластмасс являются связующее и наполнитель.
В составе пластмасс, кроме связующего (15-60%), наполни%), могут входить пластификаторы (эластификаторы), отвердители связующего и различные специальные добавки (10%).
Связующее – матрица (полимер, смола), связывает (склеивает) наполнитель, обеспечивает монолитность и форму изделия, определяет их эксплуатационные (физические, химические) и технологические свойства, а так же методы формования детали из полуфабриката заданной пластмассы.
Наполнитель (усилитель) повышает прочность пластмасс, снижает усадку при изготовлении изделий и существенно влияет на другие физико-механические свойства.
Пластификатор придает пластмассе пластичность при переработке, повышает ее морозостойкость и снижает хрупкость готового изделия.
Отвердитель (совместно с инициатором и ускорителем) обеспечивает в процессе переработки переход отверждаемого (термореактивного) связующего в термостабильное состояние.
Стабилизатор (противостаритель) замедляет процессы деструкции (термической, окислительной, фототермической, химической и механической) при формовании и эксплуатации деталей из пластмасс.
Спецдобавки (антипирены, антирады, фунгициды) снижают возгораемость пластиков, предохраняют их от повреждений при действии проникающей радиации и при контакте с микроорганизмами в тропических условиях.
По природе связующего пластмассы делятся на: а) термопластичные (полиэтилен, полистирол, полиамиды, поливинилхлорид, органические стекла и др.) и б) термореактивные (карболиты, аминопласты, волокниты, гетинакс, тексолит, стеклопластики, асбопластики, боро - и углепластики и т. п.).
Рис. 2 Схема реакции отверждения термореактивного олигомера (смолы) по механизму поликонденсации (с выделением побочного продукта - воды):
1 - основная часть молекулы; 2 - активные функциональные группы; 3 - освободившиеся валентности;
4 - оторванные при нагреве радикалы; 5 - сетчатая структура отвержденной смролы; 6 - побочный продукт; 7 - теплота реакции.
Т е р м о р е а к т и в н о с т ь – способность некоторых линейных полимеров при определенных условиях необратимо изменять свою исходную линейную структуру на сетчатую, т. е. переходить из термопластичного в термостабильное состояние. Эта химическая реакция отверждения (сшивки) протекает по д в у м м е х а н и з м а м :
а) с выделением побочных продуктов (поликонденсация)
б) без выделения побочных продуктов (полимеризация)
По реакции поликонденсации с выделением побочных продуктов отверждаются фенолформальдегидные смолы и кремнийорганические смолы (олигомеры) (рис. 2). Молекула такой смолы-связующего содержит основную неизменную часть 1 и порядка десяти боковых активных функциональных групп (АФГ) 2. В исходном состоянии смола – линейная и твердая. При внешнем воздействии, обычно при нагреве до Тотв » 150-200°C за счет подвода тепла Q, тепловое движение интенсифицируется. При этом смола переходит в вязкотекучее состояние, а боковые функциональные группы отрываются. АФГ соединяются и образуют устойчивое низкомолекулярное вещество 6 (например, пар воды). Оставшиеся после отрыва АФГ свободные валентности 3 беспорядочно соединяются, и образуется густосетчатый быстро твердеющий термостабильный полимер 5 (матрица пластмасс, лакокрасочное покрытие, клей). Пары кипящей при Тотв воды являются побочным продуктом этой реакции. Они выделяются по всему объему отверждающегося связующего и могут вызвать образование пор, усадку и внутренние напряжения в изделии. Для предотвращения вскипания существует только один способ – повышение давления. Поэтому смолы поликонденсационного отверждения и пластмассы на их основе перерабатывают в изделия методом горячего прессования. Необходимое для этого процесса специальное оборудование описано ниже в разделе «Горячее прессование.
Получить полный текст
По реакции полимеризации без выделения побочных продуктов отверждаются (сшиваются) непредельные (ненасыщенные) полиэфирные, эпоксидные и полиимидные смолы (рис. 3). В исходном состоянии эти смолы жидкие. Молекула такой смолы также содержит основную неизменную часть 1, но имеет две концевые непредельные группы 2. (с двойными связями). При воздействии на смолу вторым веществом – отвердителем 3, каждая непредельная связь (двойная связь) раскрывается, и у молекулы образуются по четыре свободные валентности 5. Между этими валентностями «встраиваются» молекулы отвердителя 3, и образуется пространственная сетка, но без выделения «побочного продукта». Сколько атомов было в смоле и отвердителе столько же и в готовой сетке. Такая реакция не сопровождается усадками, может протекать без внешнего нагрева и, главное, не требует внешнего давления, так как нет паров побочного продукта. Изделие может иметь очень большие габариты; технология описана в разделе «Намотка оболочек из композиционных материалов».
По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волокнистые, слоистые и ориентированные (композиционные материалы).
Без наполнителя в основном используются термопластичные материалы: полистирол, ударопрочный полистирол (сополимер стирола и каучука), полиэтилен, винипласт (поливинилхлорид), пластикат, (полихлорид с пластификатором), органическое стекло (полиметилметакрилат и его сополимеры), полиамиды (капрон, наилон, анид, фенилон), фторопласт-4 (политетрафторэтилен), лавсан (полиэтилентерефталат), полиформальдегид (полиоксиметилен). В последние годы термопласты наполняют различными порошками – сажей, негорючими порошками оксидов металлов, стеклянными микросферами.
Термопластичные прессматериалы выпускаются в виде порошков, гранул, бисера или листов. Например, органические листовое стекло (СОЛ) используют непосредственно для остекления или перерабатывают в изделия методами вакуумного формования.
Рис. 3 Схема отверждения непредельной (ненасыщенной) смолы отверждением без
выделения побочных продуктов:
1 - основная часть молекулы; 2 - звенья, содержащие непредельность; 3 - основная часть молекулы отвердителя; 4 - активные радикалы; 5 - освободившиеся валентности; 6 - оторвавшиеся от отвердителя радикалы.
В таблице 1 приведены составы наиболее распространенных термореактивных, термопластичных и газонаполненных пластмасс.
Состав пластмассс
Таблица 1.
Группа по связующему
Группа по наполнителю
Пластмассы
Наполнитель
Связующее
Термореактивные
Порошковые
Карболиты
Древесная мука,
молотая слюда,
кварцевая мука
Фенолоформальдегидная смола (резольная или новолачная с добавкой уротропина)
Аминопласты
Отбеленная
молотая
целлюлоза
Мочевиноформальдегидная смола (прозрачная)
Волокнистые
Асбоволокнистые
Асбестовое волокно, хаотически расположенное
Фенолоформальдегиднаясмоларезольнаяиногдамодифицированная
Стекловолнит
АГ-4В
Стекловолокно хаотически расположенное
Слоистые
Гетинакс
Бумага
Фенолоформальдегиднаясмоларезольнаяиногдамодифицированная
Древесно-
слоистый пластик
Древесный шпон
Текстолит
Ткань хлопчатобумажная
Стеклотекстолит
Стеклянная ткань
Фенолоформальдегиднаясмоларезольнаяиногдамодифицированнаяидругиесмолы
Асботекстолит
Асбестовая ткань
КомпозиционныематериалыКМ
Стеклопластики
Стекловолокна, крученые стеклонити, стекложгуты, ориентированно расположенные в нужном направлении; стеклоткани
Все термореактивные связующие
Углепластики, боропластики
Углеволокна и волокна из бора, ориентированно расположенные в нужном направлении
Эпоксидные и полиимидные связующие, полисульфон
Органопластики
Полимерные волокна, ориентированно расположенные в нужном направлении; органоткани
Эпоксидные и полиимидные связующие,
Термореактивныеитермопластичные
Газонаполненныепенопластыипоропластысотопласты
Поролон ПУ-101
Газ
Полиуретановая смола
Пенопласты: ФК
Газ
Фенольно-
формальдегидная смола и каучук
К-40
Газ
Кремний органическая смола
ПС
Азот
Полистирол
ПВХ
Азот
Поливинилхлорид
Сотопласты
Воздух
Текстолит и стеклотекстолит
Термопластичные
Без наполнителя
Полиэтилен
Полипропилен
Винипласт
Фторопласт-4
Полистирол
Лавсан
Дифлон
Полиамиды
Оргстекло
Нет
Обычно названия полимера и пластмассы совпадают
Литье под давлением.
Этот высокопроизводительный метод применяется в основном для переработки термопластов (табл. 3). Для изготовления изделий данным методом применяют специальные машины (рис. 4, б). При правом крайнем положении поршня 8 холодные гранулы термопласта 2 просыпаются (загружаются) внутрь рабочего цилиндра 3 шприца. В нагреваемом цилиндре машины материал размягчается до вязкотекучего состояния Ттек <Т< Тд (см. рис. 1, а). Под давлением поршня при его ходе влево полимер впрыскивается в холодную металлическую прессформу 1, остывает до Т <Тс и затвердевает, становится стеклообразным, приобретая конфигурацию ее внутренней полости (Выбор материала прессформ смотрите раздел «Металлы»).
Таблица 3.
Материал
Температура в цилиндре,
°C
Температура формы,
°C
Усадка,
%
Полистирол
150-250
20-40
0,2-0,5
Полиэтилен низкой плотности
160-200
40-10
1-3
Полиэтилен высокой плотности
180-250
20-60
1-3
Поливинилхлорид (винипласт)
150-170
40-50
1
Полиамиды
200-280
60-120
2
Вакуумное формование листовых термопластов (рис. 4, в).
Применяется для изготовления из листовых заготовок тонких оптически правильных прозрачных оболочек, колпаков и т. д.
Листовую заготовку (рис. 4, в) закрепляют над вакуумной камерой (ресивером) 1, нагревают до высокоэластичного (резиноподобного) состояния Тс<Т<Ттек. Затем ресивер соединяют с вакуумным насосом 2 и создают в ней разряжение.
Формование производят под воздействием силы, возникающей вследствие разницы между атмосферным давлением и разряжением, создаваемым в полости ресивера, над которым закреплен формуемый лист. После вытяжки на заданную глубину изделие охлаждают до Т <Тс под разрежением. При этом в материале «замораживаются» высокоэластические деформации т. к. они не могут восстановиться без достаточного теплового движения. Если изделие снова нагреть до Тс<Т<Ттек, то произойдет релаксация «замороженных» высокоэластических деформаций, и изделие снова стянется в лист. При вакуумном формовании толщина листа уменьшается, а вытянутые «замороженные» молекулы располагаются не беспорядочно, а ориентируются в плоскости стенки. Поэтому такие оболочки упрочняются.
Горячее прессование.
Наиболее распространенный метод изготовления деталей из термореактивных пластмасс на связующих поликонденсационного отвержения с выделением побочных продуктов. Прессованием получают также листы и плиты из слоистых пластиков (текстолитов, гетинакса, древесно-слоистых пластиков, композиционных материалов).
Для изготовления деталей из таких термореактивных пластмасс используют заранее полученные полуфабрикаты – прессматериалы.
Прессматериалы (сырье) для получения деталей из карболита, аминопластов, волокнитов, гетинакса, текстолита и др. представляют собой наполнители, пропитанные или смоченные термореактивным полимером-связующим. Изготовление изделий из таких прессматериалов основано на способности термореактивной смолы (линейная форма молекулы) размягчаться (течь), заполнять под давлением прессформу и при дальнейшем нагревании необратимо отверждаться с приобретением пространственно-сетчатой (сшитой) структуры молекулы (рис.1в). Например, для фенолформальдегидной смолы термореактивная стадия «резол» переходит в термостабильную – «резит».
Технология изготовления детали состоит из следующих операций:
1. Замеряют размер детали, по которому вычисляют площадь ее горизонтальной проекции S1 в см2.
2. Замеряют толщину стенки детали в мм.
3. Определяют или измеряют диаметр плунжера 4 пресса (рис. 4,а) и вычисляют S2.
4. Определяют и отмеряют навеску (количество) полуфабриката.
5. Навеску засыпают в матрицу 2 прессформы, заранее нагретой до Тотв.
6. Устанавливают в гнездо матрицы пуансон 3 и размещают прессформу на нижней плите 7 пресса.
7. Производят прессование по заданному технологическому режиму.
8. После окончания выдержки прессформу раскрывают и извлекают горячую деталь 1 из горячей прессформы, т. к. связующее становится сетчатым и твердым (рис. 1в).
а) б)
в) г)
Рис. 4 Схемы процессов переработки полимеров в изделия.
а - горячее прессование: 1- изделие с площадью S1; 2 - матрица прессформы; 3 - пуансон; 4 - поршень цилиндра пресса; 5 - цилиндр пресса площадью S1; 6,7 - нагреватель и сжимающие плиты пресса; 8 - гидронасос;
б - литье под давлением: 1 - холодная прессформа; 2 - гранулы термопласта; 3 - материальный цилиндр шприца; 4 - поршень шприца; 5 - нагреватель цилиндра; 6 - литниковый канал; 7 - изделие; 8 - гидравлические устройства;
в - вакуумное формование: 1-вакуум-камера; 2 - вакуумный насос; 3 - листовая заготовка; 4 - нагревательные инфракрасные лампы; 5 - изделие в конце формования; 6 - вакууметр; 7 - кран;
г - формование мокрой намоткой изделия типа «кокон»: 1 - оправка; 2 - жгут из смазанных связующим волокон; 3 - направляющий ролик; 4 - ванночка со связующим; 5 - жгут с волокнистым наполнителем; 6 - устройство натяжения жгута; 7 - раскладчик жгута, управляемый ЭВМ, с пятью степенями подвижности.
Технологический режим горячего прессования характеризуется тремя параметрами: температурой, давлением, и временем выдержки.
1. Температура отверждения термореактивных пластмасс лежит в пределах Тт <Тотв< Тд (обычно она равна °C).
2. Удельная нагрузка P составляет 150-750 кгс на каждый см2 горизонтальной проекции прессуемой детали (для заполнения прессматериалом матрицы и противодействия давлению выделяющихся в процессе поликонденсационного отверждения смолы паров).
3. Время выдержки необходимо для прогрева, размягчения и перехода связующего в термостабильное состояние и составляет 0,8–3,0 мин на 1 мм толщины стенки изделия.
Режимы прессования пластмасс даны в таблице 2.
Таблица 2.
Прессматериал
Р е ж и м ы п р е с с о в а н и я
Удельная нагрузка
Pуд,
кгс/см2
Температура,
°C
Время выдержки на 1 мм толщины детали,
мин
Пресспорошок карболит (черный) К-18-2
250-350
150±5
1,0
Пресспорошок карболит
(коричневый) К21-22
250-350
150±5
1,0
Пресспорошок для аминопластов
250-350
140±5
1,0
Стекловолокнит АГ-4В
300
160-170
1,0
Прессматериал для гетинакса
120-180
150-170
1,0-2,0
Прессматериал для текстолита
100-180
150-170
1,0-3,0
Композитный материал (углепластик)
на полиимидном связующем
100-300
100-250
10-30
Для изготовления деталей методом прессования (рис. 4,а) используются стальные прессформы и гидравлический пресс с обогреваемыми плитами. Прессформы могут быть съемными и стационарными, одногнездными (для получения одной детали) и многогнездными.
Прессформа – точная и дорогая оснастка, но рассчитана на десятки тысяч прессовок.
Удельное давление в процессе прессования устанавливается по показаниям манометра пресса :
Pман = Pуд * S1 /S2 ,
Где Pман – показания манометра; Pуд – нагрузка (табл. 2); S1 – площадь горизонтальной проекции прессуемой детали, см2; S2 – площадь плунжера (поршня) пресса, см2.
Т. к. для противодействия давлению паров побочных продуктов поликонденсации нужны большие нагрузки (Pуд), а существующие гидропрессы могут обеспечить усилие прессования (Pман * S2) не более тонн, методом горячего прессования невозможно получить изделие площадью более 1 м2. Крупногабаритные изделия можно изготовить только с использованием полуфабрикатов, отверждающихся по реакции полимеризации (без выделения побочных продуктов) и, следовательно, не требующих высоких давлений формования.
Намотка оболочек из композиционных материалов (рис. 4, г).
Готовое изделие – это крупногабаритные элементы конструкции, имеющие форму тел вращения из стекло-, угле-, боро-, органо - пластиков.
Изделие и материал проектируют и изготавливают одновременно.
Металлическую прессформу и пресс применять невозможно (прессформа – невыполнима, а прессов – не существует), поэтому используют жидкие или разжиженные связующие, отверждающиеся по реакции полимеризации без выделения побочного продукта.
При мокрой намотке (рис. 4, г) нить, лента, ткань или ровница наполнителя 2, наматываемая на оправку 1, сходят со шпуль 5 и проходят через устройство 4 для нанесения термореактивного связующего полимеризационного отверждения. Оправка вращается на подшипниках от привода (оправка вполне технически выполнима). Наполнитель укладывают устройством 3, движением которого управляет ЭВМ. После намотки связующее отверждают, а оправку извлекают. Этот метод позволяет ориентировать волокна упрочняющего наполнителя в направлении напряжений и получать оболочки из анизотропных материалов максимальной прочности при минимальной массе.
Задание.
1 . Проанализировать и знать форму термомеханических кривых и температурные интервалы физических состояний для различных полимерных связующих.
2. Выучить классификацию пластиков (табл. 1).
3. Выучить схемы и особенности отверждения реактивных смол.
4. Изучить оснастку и температурные режимы для изготовления изделия из пластмасс методами горячего прессования, литья под давлением, вакуумного формования, намотки.
Изготовить заданную деталь одним из приведенных методов.
5. Сопоставить особенности технологии изготовления деталей из термореактивных и термопластичных полимеров.
6. Ознакомиться с ассортиментом пластмасс и уметь распознавать их по внешнему виду.
7. Ответить письменно на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы.
1. Что такое термомеханическая кривая?
2. В каких агрегатных состояниях могут существовать полимеры?
3. Каковы физические состояния полимеров, и как они проявляются на ТМК?
4. Какова природа высокоэластичности полимеров? Могут ли низкомолекулярные вещества находиться в высокоэластическом состоянии?
5. Как влияют поперечные химические связи (сетчатая структура молекул) на форму ТМК?
6. Каковы различия в процессах отверждения термореактивных полимеров?
7. Как классифицируются пластмассы по связующего и наполнителю, какова роль компонентов?
8. Опишите методы и оборудование, применяемые для изготовления деталей из пластмасс.
9. Какие параметры определяют режим изготовления деталей из пластмасс? В чем состоит различие в режимах переработки термопластов и реактопластов?
10. В чем различие в технологии формования деталей из термореактивных пластмасс поликонденсационного и полимеризационного отверждения?
Литература.
1. , Леонтьева . М. Машиностроение, 1972. Стр. 385-428 .
2. Энциклопедия полимеров. Т. 1,2,3 М. Химия, 1974.
Полимеры с молекулярной массой менее 103 называют олигомерами (смолами).
По форме молекулы полимера делятся на:
1) Линейные (в т. ч. разветвленные)
2) Сетчатые, которые могут быть:
а) густосетчатыми
б) редкосетчатыми
Сетки – беспорядочные, некристаллические структуры.
Гибкость линейных макромолекул или линейных участков в сетчатых полимерах реализуется путем вращений одинарных химических ковалентных связей вдоль по цепи, расположенных под углом 120°.
В полимерах линейного и разветвленного строения молекул – термопластах – суммарная энергия физических сил взаимодействия звеньев соседних молекул настолько велика, что полностью исключает отрыв всей молекулы от массы полимера, а в отдельных случаях делает невозможным взаимное перемещение молекул. Поэтому линейные полимеры нельзя перевести при нагреве в газообразное (а при очень большой молекулярной массе – и в жидкое) агрегатное состояние.
Сетчатые – термостабильные полимеры (весь кусок сетчатого полимера – одна гигантская макромолекула) – при нагреве невозможно перевести даже в жидкое состояние, так как взаимное неограниченное перемещение линейных участков сетки может происходить только с разрушением химической ковалентной связи между ними, т. е. с деструкцией.
Таким образом, полимеры могут существовать только в двух агрегатных состояниях: твердом и жидком.
Молекулы полимеров могут образовывать участки с высокой и низкой упорядоченностью, т. е. находиться в двух фазовых состояниях. Фаза, в которой соблюдается дальний порядок расположения звеньев макромолекул, называется кристаллической. При отсутствии такого порядка взаимного расположения звеньев и макромолекул полимеры находятся в аморфной (термодинамически неравновесной, метастабильной, переохлажденной, жидкой) фазе.
Благодаря указанной выше гибкости длинных цепных молекул аморфные полимеры имеют три физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее. Переход из одного физического состояния в другое является следствием изменения характера теплового движения системы полимерных молекул.
Линейные и разветвленные полимеры могут находиться в кристаллической фазе и во всех трех физических состояниях аморфной фазы. Аморфный полимер при изменении температуры обратимо переходит из одного физического состояния в другое постепенно, и столь же постепенно меняются его физические и механические свойства.
Термостабильные густосетчатые полимеры с нерегулярным расположением поперечных связей находятся только в аморфном (стеклообразном) состоянии.
Термостабильные редкосетчатые полимеры могут находиться в стеклообразном и высокоэластическом состояниях.
Все технологические и эксплуатационные свойства полимеров зависят от физического или фазового состояния, которое обнаруживается с помощью термомеханических кривых (ТМК).
ТМК – есть результат эксперимента, в котором образец полимера нагревают с постоянной скоростью k @ 1 град/мин (T=kt, где t – время) и дискретно нагружают невысокой постоянной нагрузкой P. Наблюдаемую при этом деформацию Dl откладывают на графике в координатах «T - Dl» по оси ординат, указав параметр P. Таким образом ТМК есть двухпараметрическая зависимость Dl = f(P,T).
При охлаждении образец полимера (если не произошла деструкция) проходит все три физических состояния в обратном порядке. Так можно совершать многократно.
Аморфные (незакристаллизованные) линейные полимеры имеют типичную кривую, показанную на рис.1 . На рисунке обозначены температурные интервалы, соответствующие трем физическим состояниям полимера.
В температурном интервале Т ниже температуры стеклования Тс полимер находится в твердом стеклообразном состоянии. Здесь тепловое движение совершают в основном только атомы внутри звеньев. Время между двумя поворотами звеньев чрезвычайно велико, и в полимере зафиксировано (заморожено) беспорядочное «жидкое» расположение молекул. Конформации беспорядочно расположенных молекул соответствуют их термодинамически выгодной форме свернутости при охлаждении к моменту стеклования.
В этом температурном интервале Т<Тс (интервал I) эксплуатируют детали из термопластичных твердых полимеров и пластмасс, т. к. полимер и деталь из него твердые. Температура стеклования Тс » 80°C обычно является верхней рабочей температурой Траб. мах. изделий из термопластов и определяет теплостойкость материала.
С повышением температуры Тс<Т<Тт полимер переходит в высокоэластическое (резиноподобное) физическое состояние (интервал II). Здесь тепловое движение состоит в самопроизвольной (а при действии силы P - направленной) обратимой подвижности (вращении) звеньев макромолекул при неизменности взаимного расположения центров тяжести последних.
В этом физическом состоянии перерабатывают в изделия методом вакуумного формования листовые заготовки термопластов и эксплуатируют резины.
При дальнейшем нагреве выше температуры текучести Тт<Тс<Тд (интервал III) физическое межмолекулярное взаимодействие совсем ослабевает и вступает в действие третий тип теплового движения. В результате подвижности групп звеньев – сегментов – получают взаимную подвижность целые макромолекулы. Следует учитывать, что смещаются они относительно друг друга постепенно, по частям. Поэтому полимер переходит не в жидкое (как вода), а лишь в вязкотекучее физическое состояние. В этой температурной области линейные полимеры и термопластичные пластики перерабатывают в изделия.
При нагреве выше температуры деструкции Тд тепловое движение столь интенсивно, что
происходит необратимое, невосстановимое химическое разложение (разрыв на мелкие фрагменты) макромолекулы полимера. Тд определяет термостойкость полимера.
Линейные полимеры за то, что они при нагреве постепенно размягчаются и текут, а при охлаждении вновь затвердевают, назвали термопластичными. Кроме того, надо помнить, что термопластичные полимеры (термопласты) при контакте с органическими жидкостями набухают и затем растворяются (по правилу: полярный – в полярном, неполярный – в неполярном), образуя лаки и клеи.
Кристаллические полимеры, в которых макромолекулам удается организовывать дальний порядок, до температуры плавления Тпл кристаллической фазы сохраняют твердость, после чего переходят в аморфное состояние; при этом в зависимости от ТМК они либо остаются твердыми стеклообразными, или сразу становятся высокоэластичными или текучими. Кристаллизующиеся полимеры: полиэтилен, полиамиды (капрон), политетрафторэтилен (фторопласт или тефлон) – непрозрачны. Аморфные полимеры – полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло), поливинилхлорид (ПВХ), поликарбонат, силиконы, карбамиды - прозрачны.
Термостабильные густосетчатые полимеры всегда находятся в твердом аморфном физическом состоянии (рис. 1б, кривая 1); их термомеханичекая кривая не имеет ни II, ни III участка. Это значит, что детали из них твердые до температуры Тд.
Редкосетчатые полимеры (резины) могут проявлять высокоэластичность (рис. 1б, кривая 2). Ниже Тс резины перестают работать по назначению Траб. мин.»Тс , т. е. Тс характеризует морозостойкость резин.
Рис. 1 Термомеханические кривые.
а - для линейного аморфного высокополимера (термопласта); б - для полимеров с густосетчатой (кривая 1) и редкосетчатой (кривая 2) формой макромолекулы; в - изменение свойств термореактивного олигонера в процессе отверждения по схеме поликонденсации.
Все сетчатые полимеры не переходят в вязкотекучее физическое состояние.
При Тд » Траб. макс. они подвергаются термическому разложению – деструкции.
Пластмассы (пластики) – это материалы на основе синтетических полимеров, способные при нагревании под давлением приобретать заданную форму и сохраняют ее в процессе эксплуатации изделия. Главными компонентами пластмасс являются связующее и наполнитель.
В составе пластмасс, кроме связующего (15-60%), наполни%), могут входить пластификаторы (эластификаторы), отвердители связующего и различные специальные добавки (10%).
Связующее – матрица (полимер, смола), связывает (склеивает) наполнитель, обеспечивает монолитность и форму изделия, определяет их эксплуатационные (физические, химические) и технологические свойства, а так же методы формования детали из полуфабриката заданной пластмассы.
Наполнитель (усилитель) повышает прочность пластмасс, снижает усадку при изготовлении изделий и существенно влияет на другие физико-механические свойства.
Пластификатор придает пластмассе пластичность при переработке, повышает ее морозостойкость и снижает хрупкость готового изделия.
Отвердитель (совместно с инициатором и ускорителем) обеспечивает в процессе переработки переход отверждаемого (термореактивного) связующего в термостабильное состояние.
Стабилизатор (противостаритель) замедляет процессы деструкции (термической, окислительной, фототермической, химической и механической) при формовании и эксплуатации деталей из пластмасс.
Спецдобавки (антипирены, антирады, фунгициды) снижают возгораемость пластиков, предохраняют их от повреждений при действии проникающей радиации и при контакте с микроорганизмами в тропических условиях.
По природе связующего пластмассы делятся на: а) термопластичные (полиэтилен, полистирол, полиамиды, поливинилхлорид, органические стекла и др.) и б) термореактивные (карболиты, аминопласты, волокниты, гетинакс, тексолит, стеклопластики, асбопластики, боро - и углепластики и т. п.).
Рис. 2 Схема реакции отверждения термореактивного олигомера (смолы) по механизму поликонденсации (с выделением побочного продукта - воды):
1 - основная часть молекулы; 2 - активные функциональные группы; 3 - освободившиеся валентности;
4 - оторванные при нагреве радикалы; 5 - сетчатая структура отвержденной смролы; 6 - побочный продукт; 7 - теплота реакции.
Т е р м о р е а к т и в н о с т ь – способность некоторых линейных полимеров при определенных условиях необратимо изменять свою исходную линейную структуру на сетчатую, т. е. переходить из термопластичного в термостабильное состояние. Эта химическая реакция отверждения (сшивки) протекает по д в у м м е х а н и з м а м :
а) с выделением побочных продуктов (поликонденсация)
б) без выделения побочных продуктов (полимеризация)
По реакции поликонденсации с выделением побочных продуктов отверждаются фенолформальдегидные смолы и кремнийорганические смолы (олигомеры) (рис. 2). Молекула такой смолы-связующего содержит основную неизменную часть 1 и порядка десяти боковых активных функциональных групп (АФГ) 2. В исходном состоянии смола – линейная и твердая. При внешнем воздействии, обычно при нагреве до Тотв » 150-200°C за счет подвода тепла Q, тепловое движение интенсифицируется. При этом смола переходит в вязкотекучее состояние, а боковые функциональные группы отрываются. АФГ соединяются и образуют устойчивое низкомолекулярное вещество 6 (например, пар воды). Оставшиеся после отрыва АФГ свободные валентности 3 беспорядочно соединяются, и образуется густосетчатый быстро твердеющий термостабильный полимер 5 (матрица пластмасс, лакокрасочное покрытие, клей). Пары кипящей при Тотв воды являются побочным продуктом этой реакции. Они выделяются по всему объему отверждающегося связующего и могут вызвать образование пор, усадку и внутренние напряжения в изделии. Для предотвращения вскипания существует только один способ – повышение давления. Поэтому смолы поликонденсационного отверждения и пластмассы на их основе перерабатывают в изделия методом горячего прессования. Необходимое для этого процесса специальное оборудование описано ниже в разделе «Горячее прессование.
Получить полный текст
По реакции полимеризации без выделения побочных продуктов отверждаются (сшиваются) непредельные (ненасыщенные) полиэфирные, эпоксидные и полиимидные смолы (рис. 3). В исходном состоянии эти смолы жидкие. Молекула такой смолы также содержит основную неизменную часть 1, но имеет две концевые непредельные группы 2. (с двойными связями). При воздействии на смолу вторым веществом – отвердителем 3, каждая непредельная связь (двойная связь) раскрывается, и у молекулы образуются по четыре свободные валентности 5. Между этими валентностями «встраиваются» молекулы отвердителя 3, и образуется пространственная сетка, но без выделения «побочного продукта». Сколько атомов было в смоле и отвердителе столько же и в готовой сетке. Такая реакция не сопровождается усадками, может протекать без внешнего нагрева и, главное, не требует внешнего давления, так как нет паров побочного продукта. Изделие может иметь очень большие габариты; технология описана в разделе «Намотка оболочек из композиционных материалов».
По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волокнистые, слоистые и ориентированные (композиционные материалы).
Без наполнителя в основном используются термопластичные материалы: полистирол, ударопрочный полистирол (сополимер стирола и каучука), полиэтилен, винипласт (поливинилхлорид), пластикат, (полихлорид с пластификатором), органическое стекло (полиметилметакрилат и его сополимеры), полиамиды (капрон, наилон, анид, фенилон), фторопласт-4 (политетрафторэтилен), лавсан (полиэтилентерефталат), полиформальдегид (полиоксиметилен). В последние годы термопласты наполняют различными порошками – сажей, негорючими порошками оксидов металлов, стеклянными микросферами.
Термопластичные прессматериалы выпускаются в виде порошков, гранул, бисера или листов. Например, органические листовое стекло (СОЛ) используют непосредственно для остекления или перерабатывают в изделия методами вакуумного формования.
Рис. 3 Схема отверждения непредельной (ненасыщенной) смолы отверждением без
выделения побочных продуктов:
1 - основная часть молекулы; 2 - звенья, содержащие непредельность; 3 - основная часть молекулы отвердителя; 4 - активные радикалы; 5 - освободившиеся валентности; 6 - оторвавшиеся от отвердителя радикалы.
В таблице 1 приведены составы наиболее распространенных термореактивных, термопластичных и газонаполненных пластмасс.
Состав пластмассс
Таблица 1.
Группа по связующему
Группа по наполнителю
Пластмассы
Наполнитель
Связующее
Термореактивные
Порошковые
Карболиты
Древесная мука,
молотая слюда,
кварцевая мука
Фенолоформальдегидная смола (резольная или новолачная с добавкой уротропина)
Аминопласты
Отбеленная
молотая
целлюлоза
Мочевиноформальдегидная смола (прозрачная)
Волокнистые
Асбоволокнистые
Асбестовое волокно, хаотически расположенное
Фенолоформальдегиднаясмоларезольнаяиногдамодифицированная
Стекловолнит
АГ-4В
Стекловолокно хаотически расположенное
Слоистые
Гетинакс
Бумага
Фенолоформальдегиднаясмоларезольнаяиногдамодифицированная
Древесно-
слоистый пластик
Древесный шпон
Текстолит
Ткань хлопчатобумажная
Стеклотекстолит
Стеклянная ткань
Фенолоформальдегиднаясмоларезольнаяиногдамодифицированнаяидругиесмолы
Асботекстолит
Асбестовая ткань
КомпозиционныематериалыКМ
Стеклопластики
Стекловолокна, крученые стеклонити, стекложгуты, ориентированно расположенные в нужном направлении; стеклоткани
Все термореактивные связующие
Углепластики, боропластики
Углеволокна и волокна из бора, ориентированно расположенные в нужном направлении
Эпоксидные и полиимидные связующие, полисульфон
Органопластики
Полимерные волокна, ориентированно расположенные в нужном направлении; органоткани
Эпоксидные и полиимидные связующие,
Термореактивныеитермопластичные
Газонаполненныепенопластыипоропластысотопласты
Поролон ПУ-101
Газ
Полиуретановая смола
Пенопласты: ФК
Газ
Фенольно-
формальдегидная смола и каучук
К-40
Газ
Кремний органическая смола
ПС
Азот
Полистирол
ПВХ
Азот
Поливинилхлорид
Сотопласты
Воздух
Текстолит и стеклотекстолит
Термопластичные
Без наполнителя
Полиэтилен
Полипропилен
Винипласт
Фторопласт-4
Полистирол
Лавсан
Дифлон
Полиамиды
Оргстекло
Нет
Обычно названия полимера и пластмассы совпадают
Литье под давлением.
Этот высокопроизводительный метод применяется в основном для переработки термопластов (табл. 3). Для изготовления изделий данным методом применяют специальные машины (рис. 4, б). При правом крайнем положении поршня 8 холодные гранулы термопласта 2 просыпаются (загружаются) внутрь рабочего цилиндра 3 шприца. В нагреваемом цилиндре машины материал размягчается до вязкотекучего состояния Ттек <Т< Тд (см. рис. 1, а). Под давлением поршня при его ходе влево полимер впрыскивается в холодную металлическую прессформу 1, остывает до Т <Тс и затвердевает, становится стеклообразным, приобретая конфигурацию ее внутренней полости (Выбор материала прессформ смотрите раздел «Металлы»).
Таблица 3.
Материал
Температура в цилиндре,
°C
Температура формы,
°C
Усадка,
%
Полистирол
150-250
20-40
0,2-0,5
Полиэтилен низкой плотности
160-200
40-10
1-3
Полиэтилен высокой плотности
180-250
20-60
1-3
Поливинилхлорид (винипласт)
150-170
40-50
1
Полиамиды
200-280
60-120
2
Вакуумное формование листовых термопластов (рис. 4, в).
Применяется для изготовления из листовых заготовок тонких оптически правильных прозрачных оболочек, колпаков и т. д.
Листовую заготовку (рис. 4, в) закрепляют над вакуумной камерой (ресивером) 1, нагревают до высокоэластичного (резиноподобного) состояния Тс<Т<Ттек. Затем ресивер соединяют с вакуумным насосом 2 и создают в ней разряжение.
Формование производят под воздействием силы, возникающей вследствие разницы между атмосферным давлением и разряжением, создаваемым в полости ресивера, над которым закреплен формуемый лист. После вытяжки на заданную глубину изделие охлаждают до Т <Тс под разрежением. При этом в материале «замораживаются» высокоэластические деформации т. к. они не могут восстановиться без достаточного теплового движения. Если изделие снова нагреть до Тс<Т<Ттек, то произойдет релаксация «замороженных» высокоэластических деформаций, и изделие снова стянется в лист. При вакуумном формовании толщина листа уменьшается, а вытянутые «замороженные» молекулы располагаются не беспорядочно, а ориентируются в плоскости стенки. Поэтому такие оболочки упрочняются.
Горячее прессование.
Наиболее распространенный метод изготовления деталей из термореактивных пластмасс на связующих поликонденсационного отвержения с выделением побочных продуктов. Прессованием получают также листы и плиты из слоистых пластиков (текстолитов, гетинакса, древесно-слоистых пластиков, композиционных материалов).
Для изготовления деталей из таких термореактивных пластмасс используют заранее полученные полуфабрикаты – прессматериалы.
Прессматериалы (сырье) для получения деталей из карболита, аминопластов, волокнитов, гетинакса, текстолита и др. представляют собой наполнители, пропитанные или смоченные термореактивным полимером-связующим. Изготовление изделий из таких прессматериалов основано на способности термореактивной смолы (линейная форма молекулы) размягчаться (течь), заполнять под давлением прессформу и при дальнейшем нагревании необратимо отверждаться с приобретением пространственно-сетчатой (сшитой) структуры молекулы (рис.1в). Например, для фенолформальдегидной смолы термореактивная стадия «резол» переходит в термостабильную – «резит».
Технология изготовления детали состоит из следующих операций:
1. Замеряют размер детали, по которому вычисляют площадь ее горизонтальной проекции S1 в см2.
2. Замеряют толщину стенки детали в мм.
3. Определяют или измеряют диаметр плунжера 4 пресса (рис. 4,а) и вычисляют S2.
4. Определяют и отмеряют навеску (количество) полуфабриката.
5. Навеску засыпают в матрицу 2 прессформы, заранее нагретой до Тотв.
6. Устанавливают в гнездо матрицы пуансон 3 и размещают прессформу на нижней плите 7 пресса.
7. Производят прессование по заданному технологическому режиму.
8. После окончания выдержки прессформу раскрывают и извлекают горячую деталь 1 из горячей прессформы, т. к. связующее становится сетчатым и твердым (рис. 1в).
а) б)
в) г)
Рис. 4 Схемы процессов переработки полимеров в изделия.
а - горячее прессование: 1- изделие с площадью S1; 2 - матрица прессформы; 3 - пуансон; 4 - поршень цилиндра пресса; 5 - цилиндр пресса площадью S1; 6,7 - нагреватель и сжимающие плиты пресса; 8 - гидронасос;
б - литье под давлением: 1 - холодная прессформа; 2 - гранулы термопласта; 3 - материальный цилиндр шприца; 4 - поршень шприца; 5 - нагреватель цилиндра; 6 - литниковый канал; 7 - изделие; 8 - гидравлические устройства;
в - вакуумное формование: 1-вакуум-камера; 2 - вакуумный насос; 3 - листовая заготовка; 4 - нагревательные инфракрасные лампы; 5 - изделие в конце формования; 6 - вакууметр; 7 - кран;
г - формование мокрой намоткой изделия типа «кокон»: 1 - оправка; 2 - жгут из смазанных связующим волокон; 3 - направляющий ролик; 4 - ванночка со связующим; 5 - жгут с волокнистым наполнителем; 6 - устройство натяжения жгута; 7 - раскладчик жгута, управляемый ЭВМ, с пятью степенями подвижности.
Технологический режим горячего прессования характеризуется тремя параметрами: температурой, давлением, и временем выдержки.
1. Температура отверждения термореактивных пластмасс лежит в пределах Тт <Тотв< Тд (обычно она равна °C).
2. Удельная нагрузка P составляет 150-750 кгс на каждый см2 горизонтальной проекции прессуемой детали (для заполнения прессматериалом матрицы и противодействия давлению выделяющихся в процессе поликонденсационного отверждения смолы паров).
3. Время выдержки необходимо для прогрева, размягчения и перехода связующего в термостабильное состояние и составляет 0,8–3,0 мин на 1 мм толщины стенки изделия.
Режимы прессования пластмасс даны в таблице 2.
Таблица 2.
Прессматериал
Р е ж и м ы п р е с с о в а н и я
Удельная нагрузка
Pуд,
кгс/см2
Температура,
°C
Время выдержки на 1 мм толщины детали,
мин
Пресспорошок карболит (черный) К-18-2
250-350
150±5
1,0
Пресспорошок карболит
(коричневый) К21-22
250-350
150±5
1,0
Пресспорошок для аминопластов
250-350
140±5
1,0
Стекловолокнит АГ-4В
300
160-170
1,0
Прессматериал для гетинакса
120-180
150-170
1,0-2,0
Прессматериал для текстолита
100-180
150-170
1,0-3,0
Композитный материал (углепластик)
на полиимидном связующем
100-300
100-250
10-30
Для изготовления деталей методом прессования (рис. 4,а) используются стальные прессформы и гидравлический пресс с обогреваемыми плитами. Прессформы могут быть съемными и стационарными, одногнездными (для получения одной детали) и многогнездными.
Прессформа – точная и дорогая оснастка, но рассчитана на десятки тысяч прессовок.
Удельное давление в процессе прессования устанавливается по показаниям манометра пресса :
Pман = Pуд * S1 /S2 ,
Где Pман – показания манометра; Pуд – нагрузка (табл. 2); S1 – площадь горизонтальной проекции прессуемой детали, см2; S2 – площадь плунжера (поршня) пресса, см2.
Т. к. для противодействия давлению паров побочных продуктов поликонденсации нужны большие нагрузки (Pуд), а существующие гидропрессы могут обеспечить усилие прессования (Pман * S2) не более тонн, методом горячего прессования невозможно получить изделие площадью более 1 м2. Крупногабаритные изделия можно изготовить только с использованием полуфабрикатов, отверждающихся по реакции полимеризации (без выделения побочных продуктов) и, следовательно, не требующих высоких давлений формования.
Намотка оболочек из композиционных материалов (рис. 4, г).
Готовое изделие – это крупногабаритные элементы конструкции, имеющие форму тел вращения из стекло-, угле-, боро-, органо - пластиков.
Изделие и материал проектируют и изготавливают одновременно.
Металлическую прессформу и пресс применять невозможно (прессформа – невыполнима, а прессов – не существует), поэтому используют жидкие или разжиженные связующие, отверждающиеся по реакции полимеризации без выделения побочного продукта.
При мокрой намотке (рис. 4, г) нить, лента, ткань или ровница наполнителя 2, наматываемая на оправку 1, сходят со шпуль 5 и проходят через устройство 4 для нанесения термореактивного связующего полимеризационного отверждения. Оправка вращается на подшипниках от привода (оправка вполне технически выполнима). Наполнитель укладывают устройством 3, движением которого управляет ЭВМ. После намотки связующее отверждают, а оправку извлекают. Этот метод позволяет ориентировать волокна упрочняющего наполнителя в направлении напряжений и получать оболочки из анизотропных материалов максимальной прочности при минимальной массе.
Задание.
1 . Проанализировать и знать форму термомеханических кривых и температурные интервалы физических состояний для различных полимерных связующих.
2. Выучить классификацию пластиков (табл. 1).
3. Выучить схемы и особенности отверждения реактивных смол.
4. Изучить оснастку и температурные режимы для изготовления изделия из пластмасс методами горячего прессования, литья под давлением, вакуумного формования, намотки.
Изготовить заданную деталь одним из приведенных методов.
5. Сопоставить особенности технологии изготовления деталей из термореактивных и термопластичных полимеров.
6. Ознакомиться с ассортиментом пластмасс и уметь распознавать их по внешнему виду.
7. Ответить письменно на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы.
1. Что такое термомеханическая кривая?
2. В каких агрегатных состояниях могут существовать полимеры?
3. Каковы физические состояния полимеров, и как они проявляются на ТМК?
4. Какова природа высокоэластичности полимеров? Могут ли низкомолекулярные вещества находиться в высокоэластическом состоянии?
5. Как влияют поперечные химические связи (сетчатая структура молекул) на форму ТМК?
6. Каковы различия в процессах отверждения термореактивных полимеров?
7. Как классифицируются пластмассы по связующего и наполнителю, какова роль компонентов?
8. Опишите методы и оборудование, применяемые для изготовления деталей из пластмасс.
9. Какие параметры определяют режим изготовления деталей из пластмасс? В чем состоит различие в режимах переработки термопластов и реактопластов?
10. В чем различие в технологии формования деталей из термореактивных пластмасс поликонденсационного и полимеризационного отверждения?
Литература.
1. , Леонтьева . М. Машиностроение, 1972. Стр. 385-428 .
2. Энциклопедия полимеров. Т. 1,2,3 М. Химия, 1974.
Заказать звонок
Менеджеры компании ответят на все Ваши вопросы и подготовят коммерческое предложение.
Заказать звонок
Менеджеры компании ответят на все Ваши вопросы и подготовят коммерческое предложение.