166699 (Переработка полимерных материалов)

Введение

В настоящее время предусматривается дальнейшее улучшение обслуживания населения страны всеми видами транспорта, в том числе и железнодорожным транспортом. Решение этой проблемы возможно не только путем создания новых видов подвижного состава, в которых наравне с техническими показателями учитываются требования экономики, технологичности, технической эстетики и т.д., но также путем повышения эффективности технического обслуживания транспорта, обязательным условием которого является обеспечение быстрого и качественного ремонта подвижного состава. В настоящее время к отремонтированному подвижному составу предъявляются новые, современные требования. Одним из условий их обеспечения является повышение качества покрытий наносимых на детали и узлы салонов подвижного состава. До настоящего времени на железнодорожном транспорте в качестве защитно-декоративных покрытий применялись хромоникелевые покрытия, наносимые гальваническим способом. Эти покрытия дороги, для их создания необходимы дефицитные материалы (медь, никель, хром), технология их нанесения сложна и энергоемка, для ее осуществления необходима организация специального производства гальванических цехов. Кроме того, антикоррозийная стойкость таких покрытий недостаточна: практикой установлено, что ко времени капитального ремонта этот вид покрытий имеет до 25-30% разрушений, что портит эстетический вид подвижного состава железнодорожного транспорта. Предпринимались попытки создания и других видов защитно-декоративных покрытий. Применялись эмалевые и лакокрасочные покрытия. Однако в условиях эксплуатации они не показали преимуществ перед хромоникелевыми. Эмалевые покрытия не обладают достаточной стойкостью в эксплуатации, быстро истираются и выкалываются при периодических нагрузках. Лакокрасочные покрытия при разовом нанесении получаются слишком тонкие (10-20 мкм), поэтому их приходится наносить в несколько слоев, что требует дополнительных затрат материалов и рабочего времени. Отсутствие удовлетворительного технического решения в части создания и ремонта защитно-декоративных покрытий, работающих в специфических условиях салонов пассажирского подвижного состава, стимулировали поисковые работы в этой области. Изучение отечественного и зарубежного опыта применения покрытий на подвижном составе показывает, что наблюдается тенденция отхода от использования в качестве покрытий дорогостоящих дефицитных материалов. В связи с быстрым и эффективным развитием производства полимерных материалов в России и в ряде зарубежных стран в последние годы значительные усилия были направлены на создание защитно-декоративных покрытий из полимеров и композиций на их основе. Покрытия из этих материалов по ряду технико-эксплуатационных показателей превосходят гальванические хромоникелевые покрытия, имеют по сравнению с ними низкую стоимость и отвечают повышенным требованиям эксплуатации на железнодорожном транспорте.

1. Технология изготовления полимерных материалов

Технологический процесс переработки включает контроль качества исходного материала или его компонентов, подготовительных операции, в ряде случаев формирование заготовки изделия, собственно формование изделия, последующие механические и различного рода обработки, обеспечивающие улучшение или стабилизацию свойств материала или изделия, нанесение покрытий на изделие, контроль качества готового изделия и его упаковку.

Основные параметры процессов переработки - температура, давление и время. Нагревание П.м. приводит к увеличению податливости материала при формовании путем перевода его в вязкотекучее или эластическое состояние, к ускорению диффузионных и релаксационных процессов, а для реактопластов - к последующему отверждению материала. Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделий требуемой конфигурации, оказывает сопротивление внутренним силам, возникающим в материале при формовании вследствие температурных градиентов и градиентов фазовых переходов. способствует выделению летучих продуктов. Временные параметры процесса переработки выбираются с учетом протекающих в материале физ. и хим. процессов. Оптимальные параметры рассчитывают или выбирают по результатам анализа технологических свойств полуфабрикатов и изделий, физические модели формования с учетом накопленного статистического опыта.

Переработка термопластов основана на их способности при нагревании выше температуры стеклования переходить в эластическое, а выше температуры текучести и температуры плавления - в вязкотекучее состояние и затвердевать при охлаждении ниже температуры стеклования и температуры плавления. При переработке реактопластов и резиновых смесей происходит химическое взаимодействие между молекулами (соотвенно отверждение и вулканизация)с образованием нового, высокомолекулярного материала, находящегося в термостабильном состоянии и практически не обладающего растворимостью и плавкостью (см. Сетчатые полимеры. а также Пластические массы). В некоторых случаях (главным образом при переработке резиновых смесей) для облегчения смешения с ингредиентами и дальнейшего формования изделий проводят предварит. пластикацию полимеров.

Деформирование полимерных материалов в эластическом состоянии и при течении расплава сопровождается ориентацией макромолекул и надмолекулярных образований, а после прекращения деформирования полимерных материалов и течения расплава идет обратный процесс-дезориентация. Степень сохранения ориентации в материале изделия зависит от скоростей протекания обоих процессов. В направлении ориентации некоторые физико-механические характеристики материала (прочность, теплопроводность) возрастают; при этом структура материала оказывается неравновесной и напряженной, что приводит к снижению формоустойчивости изделия, особенно при повышенной температуре. Длительное воздействие повышенной температуры, а в случае реактопластов и значительное выделение теплоты, сопровождающее отверждение, может приводить к термоокислительной деструкции материала, а большие скорости течения материала - к его механодеструкции. Отверждение ряда реактопластов по реакции поликонденсации сопровождается выделением низкомолекулярных продуктов, вызывающих образование вздутий и трещин в изготовляемых деталях.

Охлаждение кристаллизующихся полимерных материалов сопровождается образованием кристаллов. скорость роста, размеры и структура которых зависят от интенсивности охлаждения материала. Регулируя степень кристалличности и морфологию кристаллов. можно направленно изменять эксплуатационные характеристики изделия.

Полуфабрикаты полимерных материалов (или компоненты), предназначенные для формования, могут быть в виде жидкостей (компаунды на основе мономеров и олигомеров. растворы и дисперсии полимеров и олигомеров., паст (резиновые смеси, премиксы на основе полиэфирных и эпоксидных связующих), порошков (наполненные и ненаполненные полимеры. твердые смолы и олигомеры), гранул (ненаполненные полимеры. смолы, олигомеры или полимеры. наполненные дисперсными частицами или армированные короткими волокнами), пленок, листов, плит, блоков (пластмассы и резиновые смеси), рыхловолокнистых композиций (спутанноволокнистые материалы, пропитанные связующим), препрегов на основе непрерывных волокнистых наполнителей (нити, жгуты, ленты, ткани, бумага. маты, пропитанные связующим, шпон). По технологическим возможностям ненаполненные, наполненные дисперсными частицами или армированные волокнами полимерные материалы идентичны и перерабатываются в изделия одинаковыми методами.

1.1 Методы формования изделий из ненаполненных и наполненных полимерных материалов. Формование под давлением

Прямое прессование применяют для изготовления изделий разнообразных форм, размеров и толщин преим. из реактопластов, выпускаемых в виде порошков, гранул, волокнитов. слоистых заготовок из армированных полимерных материалов, а также заготовок из резиновой смеси. Полимерные материалы перед прессованием подвергают подготовке (сушка, таблетирование. предварительный нагрев), улучшающей их технологические свойства и качество получаемых изделий. Подготовленные материалы перед прессованием обычно дозируют. Заданное кол-во перерабатываемого полуфабриката помещают в установленную на прессе нагретую прессформу, конфигурация оформляющей полости которой соответствует конфигурации детали (рис. 1). Прессформу смыкают. Материал нагревается, переходит в вязкотекучее состояние, под давлением 7-50 МПа заполняет оформляющую полость и уплотняется. В прессформе материал выдерживают под давлением до завершения отверждения полимерных материалов или вулканизации сырой резиновой смеси, чем обеспечивается фиксация приданной материалу конфигурации. Готовое изделие выталкивают или извлекают из прессформы, как правило, при температуре прессования.

В процессе прессования для повышения качества изделий применяют подпрессовки (попеременные подача и снятие давления) и задержку подачи давления. Подпрессовки способствуют удалению из реактопластов летучих веществ (продуктов реакции, адсорбированной влаги, остатков растворителей). Эта же цель достигается предварительным вакуумированием материала в оформляющей полости прессформы (прессование с вакуумированием). Задержку подачи давления применяют для снижения текучести реактопластов, имеющих при температуре формования очень низкую вязкость. с тем, чтобы предотвратить их вытекание через зазоры прессформы в процессе уплотнения.

При переработке термопластов прессование применяют для изготовления деталей толщиной >10-15 мм, если при температуре переработки материал имеет слишком высокую вязкость. а также если температура текучести полимерных материалоа близка к температуре его деструкции.

Литьевое (трансферное) прессование применяют главным образом для переработки реактопластов. Формование осуществляют в прессформах, оформляющая полость которых отделена от загрузочной камеры и соединяется с ней литниковыми каналами (рис. 2). В процессе прессования материал, помещенный в загрузочную камеру нагретой прессформы, переходит в вязкотекучее состояние и под давлением 60-200 МПа по литниковому каналу перетекает в оформляющую полость прессформы, где материал дополнительно прогревается и отверждается.

Преимущество литьевого прессования - возможность изготовления изделий сложных форм с глубокими сквозными отверстиями малого диаметра или с малопрочной внутренней (внешней) арматурой. Изделия, полученные этим методом, характеризуются меньшим напряжением, чем при прямом прессовании, так как процесс отверждения в оформляющей полости идет одновременно по всему объему детали, а при заполнении формы создаются условия, обеспечивающие удаление из материала летучих продуктов.

Литье под давлением применяют преимущественно для изготовления изделий из термопластов. Осуществляют под давлением 80-140 МПа на литьевых машинах поршневого или винтового типа, имеющих высокую степень механизации и автоматизации (рис. 3). Литьевые машины осуществляют дозирование гранулир. материала, перевод его в вязкотекучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму, выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыкание формы и выталкивание готового изделия. При переработке термопластов литьевую форму термостатируют (температура ее не должна превышать температуры стеклования или температуры кристаллизации), а при переработке реактопластов нагревают до температуры отверждения. Давление литья зависит от вязкости расплава материала, конструкции литьевой формы, размеров литниковой системы и формуемых изделий. Литье при сверхвысоких давлениях (до 500 МПа) уменьшает остаточные напряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихся полимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более точное воспроизведение размеров деталей.

Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в конце выдержки под давлением достигает 30-50% от давления литья) и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении или отверждении.

Литье под давлением позволяет изготовлять детали массой от долей грамма до нескольких килограммов. При выборе машины для формования изделия учитывают объем расплава, необходимый для его изготовления, и усилие смыкания, требующееся для удержания формы в замкнутом состоянии в процессе заполнения расплавом оформляющей полости.

Для выравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье под давлением с предварительным сжатием расплава, инжекционное прессование, литье под давлением с наложением механических колебаний и другие методы.

Литье под давлением с предварит. сжатием расплава осуществляют на литьевой машине, сопловый блок которой снабжен краном. При закрытом кране производят сжатие расплава полимера в нагревательном цилиндре машины до давления литья. После открытия крана расплав под высоким давлением с большой скоростью заполняет полость литьевой формы и дополнительно нагревается за счет работы сил трения. Для предотвращения механодеструкции полимерных материалов скорость течения расплава по литниковым каналам иногда ограничивают. Предварительное сжатие расплава позволяет в 1,5-2 раза уменьшить время заполнения формы и увеличить путь течения расплава до момента его застывания, что позволяет отливать длинномерные тонкостенные детали.

Инжекционное прессование отличается от обычного литья под давлением тем, что впрыск дозы расплава П.м. производят в не полностью сомкнутую форму. Уплотнение материала осуществляют при окончат. смыкании формы (прессование). Метод позволяет получать как очень тонкостенные, так и толстостенные детали из термо- и реактопластов. Изделия, изготовленные этим методом, имеют меньшую анизотропию механических свойств и меньшую усадку.

Литье под давлением с наложением механических колебаний применяют для изготовления изделий из полимерных материалов, расплавы которых обладают ярко выраженными свойствами псевдопластичных жидкостей. Воздействие механических колебаний вызывает резкое снижение вязкости таких расплавов, в результате чего уменьшается время заполнения формы и происходит более равномерное распределение давления по длине оформляющей полости.

Интрузия-метод формования толстостенных изделий на винтовых литьевых машинах, объем впрыска которых м. б. значительно меньше объема формуемого изделия. В процессе заполнения формы литьевая машина работает в режиме экструдера (см. ниже), нагнетая расплав полимера через широкие литниковые каналы в оформляющую полость при сравнительно невысоком давлении; после заполнения формы винт под действием гидроцилиндра движется как поршень вперед и подает в форму под более высоким давлением кол-во расплава, необходимое для оформления детали и компенсации усадки материала.

Экструзию (шприцевание, выдавливание) применяют для формования из термо- и реактопластов разл. длинномерных изделий-волокон, пленок, листов, труб, профилей разнообразного поперечного сечения. Переработка термопластов осуществляется на поршневых и винтовых машинах (экструдерах) путем выдавливания материала, переведенного в нагревательнгом цилиндре экструдера в вязкотекучее состояние, через формообразующую головку проходного типа (рис. 4). Выходящее из головки изделие охлаждается, отводится тянущим устройством и сматывается в бухты или разрезается на отрезки необходимой длины. Скорость отвода изделия может быть больше скорости выхода из головки, тогда происходит ориентация материала в направлении оси изделия. С помощью спец. устройств возможна поперечная ориентация материала. Методом экструзии можно также наносить на провода и кабели полимерную изоляцию.