Переробка полімерних матеріалів

В даний час передбачається подальше поліпшення обслуговування населення країни всіма видами транспорту, у тому числі і залізничним транспортом. Вирішення цієї проблеми можливе не тільки шляхом створення нових видів рухомого складу, в яких нарівні з технічними показниками враховуються вимоги економіки, технологічності, технічної естетики і т.д., але також шляхом підвищення ефективності технічного обслуговування транспорту, обов'язковою умовою якого є забезпечення швидкого і якісного ремонту рухомого складу. В даний час до відремонтованою рухомого складу пред'являються нові, сучасні вимоги. Однією з умов їх забезпечення є підвищення якості покриттів наносяться на деталі і вузли салонів рухомого складу. До теперішнього часу на залізничному транспорті в якості захисно-декоративних покриттів застосовувалися хромонікелеві покриття, що наносяться гальванічним способом. Ці покриття дороги, для їх створення необхідні дефіцитні матеріали (мідь, нікель, хром), технологія їх нанесення складна і енергоємна, для її здійснення необхідна організація спеціального виробництва гальванічних цехів. Крім того, антикорозійна стійкість таких покриттів недостатня: практикою встановлено, що до часу капітального ремонту цей вид покриттів має до 25-30% руйнувань, що псує естетичний вигляд рухомого складу залізничного транспорту. Робилися спроби створення і інших видів захисно-декоративних покриттів. Застосовувалися емалеві і лакофарбові покриття. Однак в умовах експлуатації вони не показали переваг перед хромонікелеві. Емалеві покриття не володіють достатньою стійкістю в експлуатації, швидко стираються і виколюють при періодичних навантаженнях. Лакофарбові покриття при разовому нанесенні виходять занадто тонкі (10-20 мкм), тому їх доводиться наносити в декілька шарів, що вимагає додаткових витрат матеріалів та робочого часу. Відсутність задовільного технічного рішення в частині створення та ремонту захисно-декоративних покриттів, що працюють у специфічних умовах салонів пасажирського рухомого складу, стимулювали пошукові роботи в цій області. Вивчення вітчизняного та зарубіжного досвіду застосування покриттів на рухомому складі показує, що спостерігається тенденція відходу від використання в якості покриттів дорогих дефіцитних матеріалів. У зв'язку з швидким і ефективним розвитком виробництва полімерних матеріалів у Росії та в ряді зарубіжних країн в останні роки значні зусилля були спрямовані на створення захисно-декоративних покриттів з полімерів і композицій на їх основі. Покриття з цих матеріалів по ряду техніко-експлуатаційних показників перевершують гальванічні хромонікелеві покриття, мають у порівнянні з ними низьку вартість і відповідають підвищеним вимогам експлуатації на залізничному транспорті.

1. Технологія виготовлення полімерних матеріалів

Технологічний процес переробки включає контроль якості вихідного матеріалу або його компонентів, підготовчих операції, в ряді випадків формування заготовки вироби, власне формування виробу, наступні механічні та різного роду обробки, що забезпечують поліпшення або стабілізацію властивостей матеріалу або виробу, нанесення покриттів на виріб, контроль якості готового виробу і його упаковку.

Основні параметри процесів переробки - температура, тиск і час. Нагрівання П.М. призводить до збільшення податливості матеріалу при формуванні шляхом переведення його в в'язкотекучий або еластичне стан, до прискорення дифузійних і релаксаційних процесів, а для реактопластов - до подальшого отверждению матеріалу. Тиск забезпечує ущільнення матеріалу і створення виробів необхідної конфігурації, чинить опір внутрішнім силам, що виникають в матеріалі при формуванні внаслідок температурних градієнтів і градієнтів фазових переходів. сприяє виділенню летучих продуктів. Тимчасові параметри процесу переробки вибираються з урахуванням протікають в матеріалі фіз. і хім. процесів. Оптимальні параметри розраховують або вибирають за результатами аналізу технологічних властивостей напівфабрикатів та виробів, фізичні моделі формування з урахуванням накопиченого статистичного досвіду.

Переробка термопластів заснована на їхній здатності при нагріванні вище температури склування переходити в еластичне, а вище температури текучості і температури плавлення - в ​​в'язкотекучий стан і укріпляти при охолодженні нижче температури склування і температури плавлення. При переробці реактопластів і гумових сумішей відбувається хімічна взаємодія між молекулами (соотвенно затвердіння і вулканізація) з утворенням нового, високомолекулярного матеріалу, що знаходиться в термостабільної стані і практично не володіє розчинністю і плавкості (див. Сітчасті полімери. А також Пластичні маси). В деяких випадках (головним чином при переробці гумових сумішей) для полегшення змішування з інгредієнтами та подальшого формування виробів проводять передуватиме. Пластикація полімерів.

Деформування полімерних матеріалів в еластичної стані і при течії розплаву супроводжується орієнтацією макромолекул і надмолекулярних утворень, а після припинення деформування полімерних матеріалів і течії розплаву йде зворотний процес-дезорієнтація. Ступінь збереження орієнтації в матеріалі виробу залежить від швидкостей перебігу обох процесів. У напрямку орієнтації деякі фізико-механічні характеристики матеріалу (міцність, теплопровідність) зростають, при цьому структура матеріалу виявляється нерівноважної і напруженою, що призводить до зниження формоустойчивости вироби, особливо при підвищеній температурі. Тривалий вплив підвищеної температури, а в разі реактопластов і значне виділення теплоти, що супроводжує затвердіння, може призводити до термоокислювальної деструкції матеріалу, а великі швидкості течії матеріалу - до його механодеструкціі. Отверждение ряду реактопластов по реакції поліконденсації супроводжується виділенням низькомолекулярних продуктів, що викликають утворення здуття і тріщин у виготовлених деталях.

Охолодження кристаллизующихся полімерних матеріалів супроводжується утворенням кристалів. швидкість росту, розміри і структура яких залежать від інтенсивності охолодження матеріалу. Регулюючи ступінь кристалічності і морфологію кристалів. можна цілеспрямовано змінювати експлуатаційні характеристики виробу.

Напівфабрикати полімерних матеріалів (або компоненти), призначені для формування, можуть бути у вигляді рідин (компаунди на основі мономерів і олігомерів. Розчини та дисперсії полімерів і олігомерів., Паст (гумові суміші, премікси на основі поліефірних і епоксидних пов'язують), порошків (наповнені і ненаповнені полімери. тверді смоли і олігомери), гранул (ненаповнені полімери. смоли, олігомери або полімери. наповнені дисперсними частинками або армовані короткими волокнами), плівок, листів, плит, блоків (пластмаси та гумові суміші), рихловолокністих композицій (спутанноволокністие матеріали, просочені сполучною), препрегів на основі безперервних волокнистих наповнювачів (нитки, джгути, стрічки, тканини, папір. мати, просочені сполучною, шпон). За технологічними можливостями ненаповнені, наповнені дисперсними частинками або армовані волокнами полімерні матеріали ідентичні і переробляються в вироби однаковими методами.

1.1 Методи формування виробів з ненаповнені і наповнених полімерних матеріалів. Формування під тиском

Пряме пресування застосовують для виготовлення виробів різноманітних форм, розмірів і товщин переважно. з реактопластів, що випускаються у вигляді порошків, гранул, волокніту. шаруватих заготовок з армованих полімерних матеріалів, а також заготовок з гумової суміші. Полімерні матеріали перед пресуванням піддають підготовки (сушіння, таблетування. Попередній нагрів), яка поліпшує їх технологічні властивості та якість отримуваних виробів. Підготовлені матеріали перед пресуванням зазвичай дозують. Заданий кількість перероблюваної напівфабрикату поміщають у встановлену на пресі нагріту пресформ, конфігурація оформляющей порожнини якої відповідає конфігурації деталі (рис. 1). Пресформ замикають. Матеріал нагрівається, переходить у в'язкотекучий стан, під тиском 7-50 МПа заповнює оформляють порожнину і ущільнюється. У пресформі матеріал витримують під тиском до завершення отверждения полімерних матеріалів або вулканізації сирої гумової суміші, чим забезпечується фіксація доданої матеріалу конфігурації. Готовий виріб виштовхують або витягають із пресформи, як правило, при температурі пресування.

У процесі пресування для підвищення якості виробів застосовують підпресування (поперемінне подача та зняття тиску) і затримку подачі тиску. Підпресування сприяють видаленню з реактопластов летючих речовин (продуктів реакції, адсорбованої вологи, залишків розчинників). Ця ж мета досягається попередніми вакуумированием матеріалу в оформляющей порожнини пресформи (пресування з вакуумированием). Затримку подачі тиску застосовують для зниження плинності реактопластів, що мають при температурі формування дуже низьку в'язкість. з тим, щоб запобігти їх витікання через зазори пресформи в процесі ущільнення.

При переробці термопластів пресування застосовують для виготовлення деталей товщиною> 10-15 мм, якщо при температурі переробки матеріал має занадто високу в'язкість. а також якщо температура плинності полімерних матеріалоа близька до температури його деструкції.

Литьевое (трансферне) пресування застосовують головним чином для переробки реактопластов. Формування здійснюють в пресформ, що оформляє порожнину яких відділена від завантажувальної камери і з'єднується з нею ливникових каналами (рис. 2). У процесі пресування матеріал, поміщений в завантажувальну камеру нагрітої пресформи, переходить у в'язкотекучий стан і під тиском 60-200 МПа по литниковой каналу перетікає в оформляють порожнину пресформи, де матеріал додатково прогрівається і отверждается.

Перевага литтєвого пресування - можливість виготовлення виробів складних форм з глибокими наскрізними отворами малого діаметра або з маломіцних внутрішньої (зовнішньої) арматурою. Вироби, отримані цим методом, характеризуються меншою напругою, ніж при прямому пресуванні, оскільки процес затвердіння в оформляющей порожнини йде одночасно по всьому об'єму деталі, а при заповненні форми створюються умови, що забезпечують видалення з матеріалу летючих продуктів.

Лиття під тиском застосовують переважно для виготовлення виробів з термопластів. Здійснюють під тиском 80-140 МПа на ливарних машинах поршневого або гвинтового типу, які мають високу ступінь механізації і автоматизації (рис. 3). Ливарні машини здійснюють дозування гранулюють. матеріалу, переведення його в в'язкотекучий стан, упорскування (інжекції) дози розплаву в литьевую форму, витримку у формі під тиском до його затвердіння або затвердіння, розмикання форми і виштовхування готового виробу. При переробці термопластів литьевую форму термостатують (температура її не повинна перевищувати температури склування або температури кристалізації), а при переробці реактопластов нагрівають до температури затвердіння. Тиск лиття залежить від в'язкості розплаву матеріалу, конструкції литтєвий форми, розмірів литниковой системи та формованих виробів. Лиття при надвисоких тисках (до 500 МПа) зменшує залишкові напруги в матеріалі, збільшує ступінь орієнтації кристаллизующихся полімерів, що сприяє зміцненню матеріалу і забезпечує більш точне відтворення розмірів деталей.

Тиск в литтєвий формі при заповненні розплавом полімеру підвищується поступово (наприкінці витримки під тиском досягає 30-50% від тиску лиття) і розподіляється по довжині оформляющей порожнини нерівномірно внаслідок високої в'язкості розплаву і швидкого її наростання при охолодженні або затвердінні.

Лиття під тиском дозволяє виготовляти деталі масою від часток грама до кількох кілограмів. При виборі машини для формування вироби враховують обсяг розплаву, необхідний для його виготовлення, і зусилля змикання, потрібний для утримання форми в замкнутому стані в процесі заповнення розплавом оформляющей порожнини.

Для вирівнювання тиску і поліпшення умов заповнення форми застосовують лиття під тиском з попередніми стиском розплаву, Інжекційне пресування, лиття під тиском з накладенням механічних коливань і інші методи.

Лиття під тиском з передуватиме. стисненням розплаву здійснюють на литтєвий машині, сопловий блок якої забезпечений краном. При закритому крані виробляють стиснення розплаву полімеру в нагрівальному циліндрі машини до тиску лиття. Після відкриття крана розплав під високим тиском з великою швидкістю заповнює порожнину литтєвий форми і додатково нагрівається за рахунок роботи сил тертя. Для запобігання механодеструкціі полімерних матеріалів швидкість течії розплаву по ливникових каналах іноді обмежують. Попереднє стиснення розплаву дозволяє в 1,5-2 рази зменшити час заповнення форми і збільшити шлях течії розплаву до моменту його застигання, що дозволяє відливати довгомірні тонкостінні деталі.

Інжекційне пресування відрізняється від звичайного лиття під тиском тим, що уприскування дози розплаву П.М. виробляють в не повністю зімкнуту форму. Ущільнення матеріалу здійснюють за закінчать. змиканні форми (пресування). Метод дозволяє отримувати як дуже тонкостінні, так і товстостінні деталі з термо-і реактопластів. Вироби, виготовлені цим методом, мають меншу анізотропію механічних властивостей і меншу усадку.

Лиття під тиском з накладенням механічних коливань застосовують для виготовлення виробів з полімерних матеріалів, розплави яких володіють яскраво вираженими властивостями псевдопластічних рідин. Вплив механічних коливань викликає різке зниження в'язкості таких розплавів, в результаті чого зменшується час заповнення форми і відбувається більш рівномірний розподіл тиску по довжині оформляющей порожнини.

Інтрузія-метод формування товстостінних виробів на гвинтових ливарних машинах, обсяг вприскування яких м. б. значно менше обсягу виробу, що формується. У процесі заповнення форми ливарна машина працює в режимі екструдера (див. нижче), нагнітаючи розплав полімеру через широкі ливникові канали в оформляють порожнину при порівняно невисокому тиску; після заповнення форми гвинт під дією гідроциліндра рухається як поршень вперед і подає у форму під більш високим тиском кол-во розплаву, необхідне для оформлення деталі і компенсації усадки матеріалу.

Екструзію (шприцевание, видавлювання) застосовують для формування з термо-і реактопластів разл. довгомірних виробів-волокон, плівок, листів, труб, профілів різноманітного поперечного перерізу. Переробка термопластів здійснюється на поршневих і гвинтових машинах (екструдерах) шляхом видавлювання матеріалу, переведеного в нагревательнгом циліндрі екструдера в в'язкотекучий стан, через формоутворювальну головку прохідного типу (рис. 4). Вихідний з голівки виріб охолоджується, відводиться тягне пристроєм і змотується в бухти або розрізається на відрізки необхідної довжини. Швидкість відводу виробу може бути більше швидкості виходу з головки, тоді відбувається орієнтація матеріалу в напрямку осі виробу. За допомогою спец. пристроїв можлива поперечна орієнтація матеріалу. Методом екструзії можна також наносити на дроти та кабелі полімерну ізоляцію.

Екструзію термопластів можна поєднувати з ін методами формування, наприклад, роздуванням (т. зв. Екструзійно-роздувне формування), в результаті чого з екструдованої заготовки отримують великогабаритні тонкостінні порожні вироби (рис. 5).

Формування екструзією деталей з наповнених реактопластів здійснюють головним чином на поршневих машинах (Штранге-пресування), т. к. розплав матеріалу має занадто високу в'язкість. Конструкцію головки і розподіл температури по її довжині вибирають таким чином, щоб матеріал був досить ущільнений і на виході з головки мав ступінь отверждения, що забезпечує виробу, що формується товарний вигляд і технологічну міцність. Остаточне затвердіння матеріалу може бути проведено в трубчастих печах.

Відцентрове формування застосовують для виготовлення виробів, що мають форму тіл обертання (втулки, труби, порожнисті сфери та ін), під дією відцентрових сил. Таким способом переробляють в'язкотекучий термореактивні компаунди, розплави полімерів і пластизолі, як ненаповнені, так і містять порошкоподібні і волокнисті наповнювачі. При відцентровому формуванні розплав полімеру або термореактивний компаунд заливають у нагріту форму, закріплену на валу центрифуги, яку приводять в обертання. Під дією відцентрових сил переробляється розподіляється рівномірним шаром по оформляющей поверхні форми і ущільнюється. Після охолодження форми її зупиняють і витягують готовий виріб. Для виготовлення невисоких втулок і виробів з геометрію параболоїда обертання, застосовують форму з вертикальною віссю обертання; довгі труби отримують у формах з горизонтальною віссю обертання, порожнисті сфери - одночасним обертанням форми навколо двох взаємно перпендикулярних осей. Величина розвивається в процесі формування тиску визначається частотою обертання форми і радіусом її оформляє порожнини і досягає 0,3-0,5 МПа. Цим методом отримують зазвичай тонко-та товстостінні вироби, виготовлення яких ін методами важко або неможливо.

Вальцювання застосовують для змішування компонентів сирих гумових сумішей і пластичних мас на стадії їх приготування або покращення технологічних властивостей матеріалу перед формуванням виробів, а також для виготовлення напівфабрикатів (листів, плівки). Вальцювання здійснюють в зазорі між валками (охолоджуваними або нагріваються), що обертаються назустріч один одному з різних швидкістю. Залежно від апаратурного оформлення методу матеріал з вальців може зніматися у вигляді листа або вузької безперервної стрічки.

Каландування застосовують для безперервного формування різних плівкових або листових полімерних матеріалів, нанесення на поверхню листових матеріалів рельєфного малюнка, дублювання попередньо відформованих стрічкових заготовок, армування полімерних матеріалів тканинами або сіткою при температурі вище температури текучості або температури плавлення. Здійснюють на агрегатах безперервної дії, основною частиною яких є багатовалкові каландр (рис. 6). Полімерна або гумова композиція безперервно надходить на каландр з живильних вальців або екструдера. На відміну від вальцювання при каландрование матеріал проходить через зазор між парою валків тільки один раз. Для отримання листа заданої товщини і з гладкою поверхнею каландр роблять багатовалкові, що дозволяє послідовно пропускати матеріал через два або три зазору різного розміру. У процесі каландрования полімерних матеріалів в зазорі між валками піддається інтенсивної деформації зсуву, в ньому в напрямку руху розвиваються значні еластичні деформації, які фіксуються у виробі наступним охолодженням. Поздовжня орієнтація обумовлює значну анізотропію властивостей матеріалу (каландрові ефект).

Каландрові агрегати можуть бути забезпечені додатковими пристроями для одно-або двухосной орієнтації плівки.

Прокатку застосовують для обробки листових термопластичних напівфабрикатів з метою надання їм необхідних розмірів поперечного перерізу або підвищення механічних властивостей в напрямку прокатки. На відміну від каландрования її здійснюють на валкових машинах, валки яких обертаються назустріч один одному з однаковою швидкістю, при температурах, що не перевищують температури склування і температури плавлення. У зазорі між валками відбувається ущільнення матеріалу та орієнтація його в напрямку прокатки внаслідок розвиваються в матеріалі вимушених еластичних деформацій.

Для формування монолітних тонкостінних виробів із заготовок термопластів (листів, труб тощо) застосовують штампування (штампування) і її різновиди (механо-пневмоформования, пневмоформования, вакуум-формування та ін.)

Штампування використовують преімущемственно для формування великогабаритних об'ємних виробів із заготовок, одержуваних литтям, пресуванням, литтям під тиском або екструзією і переведених нагріванням в еластичне стан. Нагріта заготівля під дією тиску змінює форму, заповнюючи оформляють порожнину штампа, що має температуру нижче температури склування полімерних матеріалів. Для фіксації отриманої конфігурації відформований виріб охолоджують під тиском. При штампуванні можна поєднувати операцію виготовлення заготовки і отримання з неї вироби. Заготівлю у разі отримують литтям під тиском або екструзією і, не даючи їй охолонути нижче температури склування, піддають штампуванні. Залежно від конструкції вживаного обладнання та оснащення, форми і розмірів заготовки і виробів застосовують різні види штампування.

Деталі зі стінками змінної товщини або з рельєфом на поверхні виготовляють з порівняно товстостінних заготовок в жорстких штампах, що мають пуансон і матрицю і встановлюваних на гідравлічних або пневматичних пресах (рис. 7). З усіх видів штампування цей метод найбільш доріг, т.к. вимагає пов'язаних один з одним пуансонів та матриць.

Механічну штампування пуансоном (рис. 8, а) через протяжне кільце і механопневмоформованіе (рис. 8, б) застосовують для виготовлення виробів з різко вираженою разнотолщинностью, наприклад, якщо дно виробу повинно бути значно товщі стінок. При отриманні виробів, на одну з поверхонь яких необхідно нанести малюнок з дрібними елементами, застосовують головним чином штампування в матрицю еластичним пуансоном, виконаним з губчастої або м'якою монолітної гуми.

Вакуум-формуванням через протяжне кільце (рис. 9, а) з листових заготовок отримують вироби, що мають форму тіл обертання. Заготівлю защемляють між притискним і протяжним кільцем, закріпленими на торці герметичної ємності, в якій створюють розрідження. Під дією атм. тиску заготівля деформується всередину ємності, а при створенні в ємності надлишкового тиску-у зворотний бік. Форма і розміри одержуваного виробу визначаються конфігурацією в плані протяжного кільця і ступенем (глибиною) витяжки заготовки, яка характеризується відношенням висоти вироби до його ширини. Вакуум-формуванням в матрицю (рис. 9, б) при тиску формувань до 0,09 МПа одержують вироби з тонкостінних заготовок. Якщо такого тиску для оформлення виробів недостатньо, застосовують пневмоформования в матрицю (рис. 10). Цей метод дозволяє також отримувати вироби більш складної конфігурації.

У процесі штампування-вирубки виробляють виготовлення плоских виробів різних конфігурації, що мають в площині деталі отвори різного діаметру. Вирубка виробів здійснюється в штампах, оснащених ріжучими елементами (для відокремлення виробу від заготівлі по контуру), притиском, що утримує заготовку в необхідному положенні, пуансоном і матрицею, що виробляють пробивання отворів у заготівлі.

Формування без тиску. У цьому випадку ущільнення матеріалу і формування виробу здійснюється під дією сили тяжіння і сил поверхневого натягу.

Методом лиття виготовляють вироби з отверждающихся компаундів на основі мономерів, олігомерів. смол, полімер-мономерних композицій або розплавів полімерів, що мають консистенцію в'язкої рідини. Компаунд при нормальній або підвищеній температурі заливають у технологічну оснастку (форму), в якій відбувається його затвердіння або затвердіння. Для забезпечення вилучення вироби з форми стінки форми покривають шаром антиадгезиви, наприклад отверждающихся силіконовою змазкою. Литтям виготовляють листи, плити, блоки, різного роду машинобудівні деталі (шестерні, шківи, ​​кулачки, шаблони), технологічну оснастку для штампування, лиття під тиском та ін методів формування.

При капсулювання компаундом заливають який-небудь елемент, який фіксують у формі. Після затвердіння компаунда елемент, покритий з поверхні шаром полімеру, витягають з форми.

Метод заливки подібний литтю; відрізняється тим, що компаунд заливають в оболонку (кожух, корпус), в яку попередньо поміщають різного роду вузли або елементи (трансформатори, індуктивні котушки, електронні або електричні системи і т. п.). Внутрішню поверхню оболонки ретельно знежирюють для забезпечення її міцного зчеплення з компаундом.

При герметизації заливається елемент щільно вставляють в оболонку, а компаундом покривають тільки його поверхню. Так само, як і в методі заливки, необхідно забезпечити міцне зчеплення компаунда з заливається вузлом і поверхнею оболонки.

Методом поливу виготовляють тонкі плівки або плівкові клеї з компаундів або розчинів полімерів, наприклад на плоскій підкладці або установці безперервного типу (рис. 11). Компаунд з ємності через фільєру наноситься на гнучку стрічку транспортера, проходить через камеру сушіння і (якщо необхідно) твердіння, відокремлюється від стрічки і змотується в рулон.

У всіх перерахованих методах щоб уникнути утворення у виробах газових включень компаунд попередньо нагрівають або вакуумируют, а затвердіння матеріалу ведуть в вакуумовану формі. У разі введення порошкоподібних або волокнистих наповнювачів компаунда надають тиксотропні властивості.

Методи занурення і декантації застосовують для виготовлення тонкостінних деталей різноманітної форми з в'язких компаундів, а також для нанесення на поверхню виробів електроізоляційних, антифрикційних, антикорозійних або декоративних покриттів. При виготовленні деталей зануренням застосовують оснастку формою вироби позитивного типу (пуансони), яку занурюють в компаунд, залитий в к.-л. ємність. Шар компаунда, що залишився на поверхні оснастки, отверждают і, якщо його товщина мала, занурення повторюють; отриману деталь знімають з оснащення. Декантацією виготовляють деталі в оснащенні негативного типу (матриця). У матрицю наливають необхідну кількість компаунда і нахиляють (кант) її так, щоб все оформляють поверхні були покриті шаром компаунда. Надлишки компаунда виливають, а решту плівку охолоджують. Форму розмикають і витягають готовий виріб. Для запобігання стікання в'язкого компаунда з похилих стінок пуансонів та матриць застосовують тиксотропні або бистроотверждающіеся компаунди.

Методом ротаційного формування виготовляють тонкостінні порожнисті вироби, а також наносять покриття на внутрішній поверхні різних ємностей з порошкоподібних полімерів і пластизолів. Порцію полімерних матеріалів завантажують в порожнисту металеву форму, герметично закривають її і в залежності від конфігурації деталі обертають форму навколо однієї або двох взаємно перпендикулярних осей. Одночасно форму нагрівають, для того щоб полімер розплавився або набух в пластифікатори. Під час обертання розплав змочує оформляють поверхню форми і розподіляється по ній рівномірним шаром. Частоту обертання підбирають так, щоб лінійна швидкість руху точок, що лежать на поверхні оформляющей, дорівнювала швидкості стікання розплаву з цієї поверхні під дією сил тяжіння. Такий режим обертання забезпечує отримання равнотолщінних виробів. На відміну від відцентрового формування полімер утримується на стінках переважно. силами адгезії та інерції. Після охолодження обертової форми і затвердіння полімеру обертання припиняють і беруть із форми готовий виріб.

Напилювання порошкоподібних полімерних матеріалів на поверхню форм застосовують для виготовлення тонкостінних виробів чи нанесення полімерних покриттів на деталі різного призначення. Процес полягає в нанесенні порошку на поверхню оснащення і подальшого спікання утворився шару при нагріванні його вище температури плавлення або температури текучості полімерних матеріалів. Порошок полімеру на поверхню форми наносять у псевдозрідженому ("киплячому") шарі або струменевим методом за допомогою пістолета-розпилювача.

При виготовленні виробів методом засипання в обмежувальну оснастку засипають порошок або гранули термопласту. Завантажувальний отвір закривають теплоизолирующей кришкою; оснастку нагрівають вище температури текучості або температури плавлення полімеру і витримують до тих пір, поки у її стінок не розплавиться шар полімеру потрібної товщини; витягують з термостата, охолоджують і висипають нерасплавівшіеся гранули. Надалі виробляють закінчать. розплавлення шару, нагріваючи матеріал в оснащенні без теплоизолирующей кришки. Методом засипки виготовляють порівняно тонкостінні великогабаритні вироби (прогулянкові човни, бідони для зберігання та транспортування рідин та ін.)

1.2 Методи переробки армованих полімерних матеріалів

Особливістю виготовлення виробів з армованих полімерних матеріалів є те, що матеріал і виріб у більшості випадків виготовляються з вихідних компонентів одночасно. Для створення виробів з необхідними експлуатаційними властивостями обрані методи і режими переробки мають забезпечувати необхідну монолітність матеріалу, необхідний зміст, орієнтацію і равнонапряженность армуючого наповнювача.

Підготовчі операції включають підготовку наповнювача (сушка, різні види енергетичної та хімічної обробки для покращення сполучення зі сполучною), формотворною і формуючої оснастки та обладнання, а в ряді випадків - приготування пов'язує і його нанесення на наповнювач. Структура і форма використовуваного армуючого наповнювача багато в чому визначають вибір методу виготовлення заготовки вироби.

Отримання заготовки вироби обраним методом здійснюють шляхом укладання армуючого наповнювача в заданій послідовності на оснащенні, що визначає форму майбутньої деталі. При цьому орієнтація волокнистого наповнювача витримується відповідно до епюрою напруг, що забезпечує необхідну анізотропію властивостей матеріалу у виробі.

Виготовлення заготовки деталі може проводитися з використанням препреги - попередньо просоченого сполучною наповнювача, висушеного або подотвержденного (т. зв. Сухий спосіб намотування, викладки), з просоченням наповнювача в процесі його викладення або намотування (т. зв. Мокрий спосіб намотування, викладки), з чергуванням шарів непросоченого або частково просоченого наповнювача з шарами сполучного у вигляді плавкою плівки або з використанням наповнювачів, в яких армуючі волокна чергуються з волокнами матричного матеріалу (волоконна технологія).

Отримання заготовки вироби з полімерних матеріалів, армованих безперервними волокнистими наповнювачами (головним чином нитками, джгутами, ровінгу, стрічками, тканинами, трикотажними матеріалами), здійснюють методами пошарової викладки, намотування, методом плетіння або ткацтва, а також комбінованим методом.

Методом пошарової викладки з наповнювачами з безперервних волокон виготовляють заготовки листів, плит, обшивок, а також виробів порівняно простих геометричних форм. При пошарової викладенні шари препреги або непросоченого армуючого наповнювача послідовно, дотримуючись задану орієнтацію, збирають на жорсткій формі (пуансоні), що повторює форму виробу, в пакет до необхідної товщини. У процесі викладення виробляють пошарове ущільнення пакета за допомогою ролика або ін інструменту. При серійному виробництві застосовують спеціальні викладочние установки або комплекси із застосуванням робототехніки та програмного керування.

Метод намотування широко застосовують для виготовлення заготовок виробів, що мають форму тіл обертання. При використанні односпрямованих безперервних армуючих наповнювачів у вигляді ниток, джгутів, стрічок, рівниці застосовують окружну, поздовжню, спіральну (гелікоідной) або комбіновану намотування.

Спіральну намотування застосовують для виготовлення оболонок спільно з днищами, деталей конічної форми, виробів змінного перерізу. При комбінованій намотуванні поєднують в будь-яких варіантах спіральну, подовжню або окружної намотування для досягнення необхідної анізотропії властивостей матеріалу. Найпростіший вид комбінованої намотування - поздовжньо-поперечна. Застосування багатокоординаційно намотувальних верстатів з програмним управлінням дозволяє автоматизувати процес намотування й зробити його високопродуктивним.

При використанні армуючих наповнювачів у вигляді тканин, полотен, паперу, стрічок з перехресним розташуванням волокон застосовують окружну намотування з прикочуванням, наприклад при виготовленні труб, циліндрів, оболонок конічної форми. Якщо ущільнення матеріалу внаслідок натягу наповнювача або при накочення є достатнім для забезпечення необхідної щільності матеріалу при подальшому отверждении вироби, то намотування являє собою і метод формування.

Комбіновані методи створення заготовок виробів включають декілька різних методів при складанні однієї деталі, наприклад поєднання пошарової викладки та намотування.

Зазначені вище методи дозволяють орієнтувати наповнювач в одній або двох площинах вироби. При необхідності отримання об'ємного армування в трьох і більше площинах застосовують метод плетіння або ткацтва заготовки з джгутів або ниток. Напрямок армування та вміст наповнювача в кожному з напрямків визначаються умовами експлуатації деталі. Метод плетіння застосовується також для створення багатошарових заготовок деталей, в яких шари механічно пов'язані між собою.

Виготовлення заготовки деталі з полімерних матеріалів, армованих короткими волокнами, виробляють методом пошарової викладки з використанням рулонних наповнювачів у вигляді матів, полотен, повсті, паперу, як попередньо просочених, так і просочується в процесі виготовлення заготовки, а також методами напилення, насасиваніем та осадження рубаних волокон. При виготовленні заготовок вироби методом напилення в якості наповнювачів використовують відрізки джгутів (30-60 мм), які за допомогою спец. установок напилюють потоком повітря спільно зі сполучною на форму до досягнення необхідної товщини. Цим методом виробляють великогабаритні вироби, наприклад корпусу човнів і катерів, елементи легкових і вантажних автомобілів, контейнери різного призначення, плавальні басейни, покриття підлог, облицювання бетонних конструкцій.

Метод насасиваніем застосовують при виробництві виробів порівняно невеликих розмірів. Виготовлення заготовки здійснюють головним чином в камері насасиваніем, у верхній частина якої подається рубане волокно (рис. 12); в нижній частині камери на обертовому столі змонтована перфорують. форма, через яку за допомогою потужного вентилятора просасивается (прокачується) повітря.

Розпорошену волокно, що захоплюються потоком повітря, Насмоктувати на форму до забезпечення необхідної товщини.

Метод дозволяє використовувати як сухі сполучні у вигляді порошку або плавких полімерних волокон, що подаються разом з армуючим волокном, так і рідкі єднальні, що наносяться на Насмоктувати заготовку за допомогою пістолетів, розташованих по периметру камери.

Після насасиваніем заготівля виймається з камери і формується одним з перерахованих нижче методів. Насасиваніем, крім того, може проводитися з суспензії волокон в рідкому середовищі по папероробної технології (див. Папір).

Після формування заготівля деталі піддається формуванню різними методами. Метод контактного формування застосовують при виготовленні деталей із застосуванням поліефірних та епоксидних сполучних холодного отверждения переважно. в поєднанні зі створенням заготовки методом викладення. При цьому способі формування просочені сполучною шари наповнювача ущільнюють шляхом притиснення пензлем або накочення роликом. Отверждение матеріалу проводиться без програми постійного тиску в основному при температурі цеху.

При виготовленні великогабаритних деталей широкого поширення набули вакуумний, вакуумно-автоклавний і пресскамерний методи формування з використанням еластичного мішка (чохла). У цих випадках на оправку формою вироби наносять розділить. шар (для запобігання прилипання формуемости деталі), викладають або намотують заготівлю вироби, на яку послідовно укладають перфорований розділовий шар, цулаг (метал, шаруватий пластик), дренажний шар (матеріал у вигляді повсті, кілька шарів склотканини або металевої сітки), захисний шар з тканини або плівки і еластичний мішок з гуми, прогумованої тканини або термостійкої полімерної плівки з великим подовженням, який герметично з'єднують з формою (рис. 13). Вакуумним насосом з-під еластичного мішка відкачують повітря. Для затвердіння сполучного форму із заготівлею поміщають в термошкаф (вакуумний спосіб), а якщо потрібно високий тиск - у пресскамеру або автоклав. Формування здійснюється внаслідок різниці тиску між зовн. тиском в термошкафу, пресскамере (0,15-0,5 МПа) або автоклаві (0,3-2,5 МПа) і залишковим в еластичному мішку. При вакуумному способі формування тиск складає 0,05-0,09 МПа. Метод широко використовують при виготовленні тришарових конструкцій з легким заповнювачем, що не допускає високих тисків при формуванні.

При необхідності підвищення тиску формування для забезпечення необхідної якості деталі, а також при серійному виробництві виробів з армованих пластику невеликих і середніх розмірів застосовують метод пресування у жорсткій пресформі, що викладений вище.

При серійному виробництві великогабаритних деталей порівняно простої конфігурації, виготовлених з просочених шаруватих наповнювачів в жорсткій пресформі, формування часто здійснюють не на пресах, а в термошкафах, застосовуючи метод формування в болтовий формі. У жорстку форму, що має пуансон і матрицю, поміщають заготівлю деталі й форму замикають за допомогою болтів до забезпечення остаточної товщини деталі. При необхідності докладання великих зусиль для змикання форми використовують прес з подальшою стяжкою болтами. Зібрані форми поміщають в термошафі, де здійснюється температурний режим затвердіння і формування. Метод дозволяє виготовляти відразу велику кількість деталей одночасно.

При термокомпрессіонном формуванні заготівлю формуемости деталі поміщають на жорсткий пуансон або матрицю, покривають або обмотують формами матеріалів з ​​високим коефіцієнтом термічного розширення, наприклад термостійкої кремнийорганической гумою, і накривають обмежить. оснащенням, яку щільно, наприклад за допомогою болтів, з'єднують з пуансоном або матрицею, створюючи початковий тиск. В процесі нагріву ущільнення заготовки здійснюється внаслідок термічного розширення формующего матеріалу, розташованого між заготівлею та жорсткої обмежувальної формою. Метод дозволяє значно спростити конструкцію пресформи і забезпечити рівномірний розподіл тиску по всій поверхні формуемости деталі.

Відцентровий метод формування заснований на ущільненні матеріалу внаслідок виникнення відцентрової сили, що виникає при обертанні оправлення з заготівлею деталі. Даний метод застосовують при виготовленні великогабаритних циліндричних і слабоконіческіх оболонок з композиційних матеріалів з ​​неорієнтованим розташуванням волокон, одержуваних головним чином методом напилення. При цьому використовують поліефірні та епоксидні сполучні холодного отверждения.

Методом протяжки (пултрузії) виготовляють профільні вироби постійного перерізу (стрижні, трубки, профілі різного поперечного перерізу та ін.) Процес здійснюють за безперервною схемою: армуючий наповнювач, поєднаний зі сполучною, збирають у пучок і протягують через систему формотворчих головок (фільєр), в яких здійснюється формування виробу і часткове затвердіння сполучного. Остаточне затвердіння відбувається в термокамері або високочастотної установки. Метод характеризується високою продуктивністю, економічністю, піддається автоматизації.

Метод прокатки (ролтрузіі) аналогічний методу протягання за винятком того, що форму елементом тут є система роликів за формою виготовленого вироби. Обертові ролики дозволяють більш ефективно ущільнювати заготівлю, запобігати пошкодженню армуючого наповнювача і виготовляти профілі великого перерізу.

Формування методом обмотки (вікелевкі) широко застосовують при виготовленні труб і ін деталей, що мають форму тіла обертання або близьку до неї. Заготівлю деталі, виготовлену методами намотування або пошарової викладки, покривають розділить. шаром, цулаг і обмотують з натягом декількома шарами нитки, джгута або ін матеріалу, внаслідок чого і відбувається ущільнення матеріалу. Зусилля натягу нитки та інших матеріалів підбирається експериментально.

Для виготовлення виробів, до яких висувають підвищені вимоги по герметичності і стабільності розмірів, застосовують метод просочення під тиском. При цьому заготовку деталі формують з непросоченого (або частково просоченого) наповнювача на пуансоні методами пошарової викладення або намотування. Після цього пуансон стуляють з матрицею, а простір між ними герметизують. До верхньої частини замкнутого простору під'єднують вакуумну систему для видалення повітря з непросочені заготовки, а до нижньої-трубопровід, по якому під тиском до 3 МПа подається сполучна (рис. 14). Контроль просочення здійснюють по появі смоли на виході з форми. При виготовленні довгомірних деталей в процесі просочення виробляють вирівнювання тиску всередині просочується заготовки, для чого закривають вихідний отвір і витримують сполучна під тиском протягом певного часу; частина сполучного потім прокачується через заготовку. Після закінчення просочення вихід з форми перекривають і виробляють затвердіння деталі.

1.3 Методи обробки виробів з полімерних матеріалів

Відформовані вироби з усіх видів полімерних матеріалів зазвичай додатково піддають різним видам обробки. Механічну обробку (точіння, фрезерування, свердління) застосовують при виготовленні виробів складної конфігурації з заготовок простої форми, для видалення задирок (грат, плівки) з деталей, отриманих різними методами формування, доведення розмірів виробу до вимог креслення.

Термічну обробку застосовують для стабілізації структури і властивостей матеріалу виробу, зняття залишкових напруг, доотвержденія виробів з реактопластів, аморфізаціі кристаллизующихся полімерних матеріалів, зміни складу полімерних матеріалів з ​​метою отримання виробів з новим комплексом властивостей (піроліз, графітизація). Проводять термообробку на повітрі, в середовищі інертних газів і рідин або у вакуумі. Тепло до виробів підводять конвекційним (в термостатах), контактним (в рідинних ваннах) способами, випромінюванням за допомогою теплових екранів, струмами високої частоти. Для інтенсифікації протікають в матеріалі виробів фізико-хімічних процесів термообробку іноді поєднують з обробкою ультразвуком.

Радіаційне опромінення застосовують для збільшення частоти сітки реактопластов або для додання термопласту сітчастої структури. У результаті такої обробки може бути підвищена тепло-і термостійкість виробів, а також поліпшені механічні властивості матеріалу виробу.

Збільшення габаритів і ускладнення конфігурації виробів з полімерних матеріалів часто робить неможливим їх виготовлення за один цикл і в одній технологічної оснастки. Це призводить до необхідності виготовлення окремих елементів (деталей) вироби та їх подальшої збірки в єдину конструкцію з використанням різних способів нероз'ємного і роз'ємного з'єднання-склеювання, зварювання, механічної збірки.

Склеювання - створення нероз'ємних з'єднань елементів конструкції за допомогою клеїв. Міцність клейового з'єднання визначається когезионной міцністю клею і матеріалу з'єднувальних елементів, адгезійним взаємодією клею з склеюваних поверхнями, напруженістю клейового шва, а також технологічними параметрами склеювання.

При зварюванні елементів конструкцій зникає межа розділу між сполучаються поверхнями і утворюється структурний перехідний шар від одного обсягу полімерних матеріалів до іншого, що забезпечує створення нероз'ємних з'єднань. Зварювання полімерних матеріалів може здійснюватися із застосуванням конвекційного нагріву, струмів високої частоти, ультразвуку, тертя, під дією ІК і лазерного випромінювання. Міцність з'єднання залежить від виникаючих у перехідному шарі сил міжатомної та міжмолекулярної взаємодії. При зварюванні термопластів перехідний шар утворюється при нагріванні або при дії розчинника в результаті взаємної дифузії макромолекул полімерних матеріалів, що знаходяться в вязкотекучем стані. При зварюванні реактопластов сполучення здійснюється внаслідок хімічнеского взаємодії макромолекул з'єднуються між собою або з зшиваючі агентом, що вводиться в зону зварювання (так звана хімічна зварка).

Механічна збірка - спосіб з'єднання деталей та елементів конструкцій за допомогою заклепок, гвинтів, болтів, шпильок, замків, скріпок і т.д.

2. Застосування полімерних матеріалів

Застосування полімерних матеріалів знайшло широке застосування при будівництві та ремонті вагонів і їх вузлів. Так при ремонті вантажних вагонів і пасажирських, що звертаються зі швидкостями руху більше 160 км / год для здійснення гальма, замість дорогих, більш важких чавунних колодок, застосовуються гальмівні колодки і диски виготовлені з композитних матеріалів. Дані колодки і диски мають велику ефективність при гальмуванні і виключають іскроутворення в процесі гальмування.

Крім того, широке застосування полімерних матеріалів знайшлося при ремонті і виготовленні внутрішнього оздоблення пасажирських вагонів. При ремонті дверей, перегородок, надвіконні і підвіконних панелей, столиків купе, ящиків і шафок в купе відпочинку провідників замість плит ДВП, пофарбованих лакофарбовими матеріалами, застосовується облицювання з паперово-шаруватого пластику. Даний матеріал володіє вищими експлуатаційними характеристиками, ніж нанесене на ДВП лакофарбове покриття.

При ремонті вікон замість дерев'яних вікон застосовуються сучасні віконні блоки, виготовлені з алюмопласта. Дані вікна володіють значною міцністю з'єднань, забезпечують збереження температурного режиму в салоні вагона. Дані вікна не втрачають свої властивості при експлуатації вагонів, виключають необхідність проведення технічного обслуговування в міжремонтні терміни експлуатації.

Застосування полімерних матеріалів дало можливість знизити трудомісткість ремонту вагонів, підвищити експлуатаційні характеристики складових частин вагонів.