17.1. Сварка
Из разнообразных определений что такое сварка пластмасс, на наш взгляд наибо¬лее понятным и соответствующим технологии процесса является следующее. Свар¬ка — способ монолитного скрепления деталей посредством соединения их расплав¬ленных участков. При сварке происходит взаимодиффузия молекулярных цепей или их участков в поверхностные слои оплавленных деталей. Таким образом, процесс сварки состоит из двух основных операций: энергетического воздействия на соеди¬няемые изделия в целях резкого повышения подвижности молекулярных цепей и последующего сдавливания соединяемых деталей для формирования монолитною сварного шва.
Энергетическое воздействие может быть тепловым, ультразвуковым, высокочас¬тотным и электромагнитным. Силовое давление или так называемое давление свар¬ки определяется реологическими особенностями соединяемых полимеров, то есть прежде всего вязкостью расплавов, и не должно приводить к выдавливанию распла¬вов из зоны сварного шва. Оно колеблется в сравнительно узких пределах и состав¬ляет 0.05-0,1 МПа.
Из определения следует, что сваркой получают изделия в основном из термопла¬стов. В зоне сварки термопласт находится преимущественно в состоянии расплава.
Поэтому технологические особенности сварки существенно зависят от термоста-бнлыюсти полимеров. Чем меньше термостабнлыюсть, тем сложнее процесс свар¬ки. Лучше всего свариваются ПЭНД, ПЭВП, ПП, СЭВА. ПС, УПС, АБС-пластик,
труднее — ПВХ. ПА. ПК. ПЭТФ. Весьма непросты процессы сварки термостойких пластиков ПСФ.ПИ.ПИА.
В настоящее время наибольшее распространение получила сварка с использова¬нием тепловой анергии и давления. При прямом нагреве соединенные детали непо¬средственно контактируют со сьемным нагревателем. Разновидности сварки прямым нагревом приведены на рис. 17.1. Отметим, что в связи со значительным расширени¬ем производства и применения труб из полимерных материалов стал весьма шн|юко применяться и метод, показанный на рис. 17.1. б. Его недостатки: образование грата внутри трубы, что ухудшает условия транспортировки рабочею тела, деструкнион-вые процессы в полимере на границе с нагревателем; СЛОЖНОСТЬ точною контроля температуры и давления i парки (давления осадки). Перечисленные изъяны могут привести к снижению прочности стыкового шва по сравнению с основным материа¬лом, Ориентировочные значения режимов стыковой сварки пластмассовых труб при¬ведены в табл. 17.1 и 17.2.
Недостатки сварки с односто¬ронним или двухсторонним нагре¬вом состоят в том, что зона сварно¬го шва отделена от на1ревателя са¬мой пленкой, и вследствие низкой теплопроводности полимера тем¬пература в ней ниже, чем па рабо¬чей поверхности контакта С нагре¬вателем. Для устранен!от зтого недо¬статка применяют сварку с термокли¬ном (рис. 17.3). Свариваемые пленки укладываются внахлест и между ними piicполагается неподвижный нагретый наконечник клина, кон¬тактирующий со свариваемыми по¬верхностями. Сварной шов образу¬ется за счет прижатия роликов, пере¬мещающих пленку. 11ри толщине ме¬нее 150 мкм пленки прогреваются по всей толщине и не прилипают к поверхности
прижимных РОЛИКОВ.
Сварка горячим газом используется для соединения толстостепных изделий:. Сва¬рочный пластмассовый пруток нагревается горячим воздухом, подаваемым из сва¬рочной горелки, до оплавления поверхности полимера. Обычно пруток выбирают из того же материала, что и спариваемые изделия. Часто используют прутки с добавками пластификатора, Для сварки горячим газом выпускают прутки диаметром 2-6 мм, а также спаренные прутки в виде ленты сечением 2-3 мм.
Сварочная горелка (рис. 17.4)со-стоит из корпуса /. трубки подачи газа 2, нагревателя 3 и наконечни¬ка 4. Температура исходящего газа на 50-100 градусов превышает темпе¬ратуру плавления термопласта. Дав¬ление газа-теплоносителя устанав¬ливается в диапазоне 0,03-0,1 МПа, При сварке прутком диамет¬ром 3 мм давление и температура газа (давление на пруток — ЗМПа: расстояние от горелки до сварного шва — 6 мм) составляет:
При сиаркс положение сва¬рочного прутка и наконечника нагревателя по отношению к поверхности шва значительно
влияет па качество соедине¬ния. Лучшие показатели полу¬чают при угле наклона а - 90°. Увеличение или уменьшение угла наклона изменяет баланс
сил. действующих на пруток, и температуру его разогрева по отношению к нагреванию сое¬диненных изделий. Под пря¬мым углом располагают пруток
при сварке винипласта, ИМ МЛ и ПЭНП (рис. 17.5,«). При свар¬ке ПЭНП, пдастифинированно-ГО11 ИХ и 11о.тии;и)бугнленаугол а = 45°. Несложное приспособ¬ление, показанное на рис. 17.5.6", позволяет не только точно со¬блюдать значение угла наклона прутка, но и прикатывать обра¬зовавшийся шов, способствуя его упрочнению.
Экстру'.тонная сварка за¬ключается в непрерывном за¬полнении нагретой разделки расплавом полимера (рис. 17.6). а также для соединения пле¬вок и листов малой (до 3 мм) толщины (рис. 17.7).
Основными технологически¬ми параметрами экструзион-
НОЙ сварки являются: темпе¬ратура присадочного расплава, скорость формирования свар¬ного шва и давление на рас¬плав. Оптимальная скорость составляет 0,1-0,5 м/мнн; дав¬ление на расплав 0.05-0,6 МПа. Чем выше температура приса¬дочного расплава, тем меньше его вязкекть и, соответственно, меньше давление па расплав
Рис. 17.5. Схема сварки прутком
понедельник, 28 декабря 2009 г.
17.2. Склеивание
17.2. Склеивание
Это метод неразъемного соединения разнородных или однородных ПО виду поли* черного материала заготовок в изделие. Достоинства клеевых соединений: полное со¬хранение структуры, физических и декоративных свойств соединяемых деталей в зоне шва; возможность регулирования площади шва и таким образом получение вы¬сокопрочных соединений при сравнительно невысокой прочности самого клея; МММ потребление в процессе образования клеевого шва внешней тепловой или иного вида энергии или ее полное исключение; возможность веления операций склеивания в экст¬ремальных условиях, например под водой; возможность придания клеевым соединени¬ям НОВЫХ СВОЙСТВ за счет особых качеств клеевого материала (электринроводность, теп¬лопроводность, акустические свойства, барьерные свойства и пр.); применимость клея как в крупносерийном, так и в мелкосерийном производстве.
Эти и другие (не перечисленные) достоинства клеев являются причиной непре¬рывного и быстрого роста интереса к их производству и использованию. Известно, что. например, в автомобильной промышленности в период с 1978 ПО 1987 г. количе¬ство клея, расходуемого на производство одного автомобиля, возросло с 9-11 до 22-25 кг. В современных автомобилях доля клея составляет до 1,2% массы. Широко известны примеры применения клеев в самолетостроении, скоростном судостроении и в других областях.
Создание клеев стало самостоятельной и весьма сложной отраслью технологии пластмасс.
Взаимодействием клеевого слоя с подложкой, химическими и физическими про¬цессами в клеевых соединениях занимается новая отрасль полимерной науки — адге¬зии л огня.
Получение клеев, их индивидуальные СВОЙСТВО и технология находятся вне тема¬тики ДВШЮЙ книги. Для зашггересошпшого читателя в конце главы приводится пере¬чень литературы но этим проблемам.
В производстве изделий из пластмасс склеиванием необходимо учитывать следующее.
Качество получаемых соединений определяется:
— правильностью выбора клея:
— тщательностью подготовки склеиваемых поверхностей;
— точностью выполнения технологических условий склеивания, зависящих от свойств выбранного клея;
— тщательным контролем качества выполняемых операции.
НЗак 411
Перечисленные условия, ни сути, являются технологической последовательно* егью процесса склеивания. Необходима отчетливо понимать, что несоблюдение хотя бы одного из перечисленных условий может вместо полож1ггедьного эффекта при вести к отрицательному результату, перекрывающему достоинства клеев.
Выбор клея. Существует великое разнообразие предлагаемых промышленностью клеевых материалов, свидетельствующее, в частности, что универсальных клеев не бывает. Есть клен, в большей нлн меньшей степени специализированные для конкретного производства. Например, обувной клей для конвейерного производства спортивной обуви из пластифицированного ПВХ н синтетической ткани определен¬ного состава, с использованием инфракрасных нагревателей, является специальным. Бытовой клей, пригодный для несложного разнообразного бытового применения -скрепления бумаги, кожи, дерева и пр. -- называют универсальным, хотя он и не обес¬печивает максимальной прочности соединений при всех видах его использования.
При выборе промышленного клея прежде всего учитывается природа соединяе¬мых материалов, называемых также подложкой, влияющая на полярность, реакцион¬ную способности структуру, текстуру и растворимость поверхностей клеевого шва.
Конструктивные, технологические, экономические и другие условия являются хотя и важными, но вторичными.
Как правило, при склеивании пластмасс рекомендуется использовать клен, близ¬кие но химической природе к соединяемым материалам. В этом случае свойства кле¬евого слон и ПОДЛОЖКИ будут различаться мало, условия формирования клеевого шва будут близки к условиям формирования соединяемых изделий н это, в свою очередь, будет способствовать монолитности соединения,
По физическому состоянию к моменту использования, то есть по морфологиче¬скому признаку, клен подразделяются на: клен-растворы; клен-расплавы; лаковые клеи; клен порошковые и клеи пленочные.
В производстве изделий из пластмасс с использованием иеразьемных клеевых соединений применяются [данным образом клеевые составы в виде растворов или расплавов. Последнее определение довольно условно, скорее оно свидетельствует об отсутствии в таком составе растворителя. Так или иначе, перечисленные разновидно¬сти клеев представляют собой жидкости различной вязкости от легкотекуч их до близких к пастам.
Для склеивания термопластов в самом общем случае рекомендуются текучие клен, приведенные в табл. 17.4.
Таблица 17.4
Клен для соединения термопластов
Термопласты Клеи*
Легко склеиваемые
Полнпкрнллтм 1,2.3.4,5
Полиииинлхлорид ненллетпфиипронанпып 3, (5. 7.8, 9. 10. 11
Патнстнрол исополнжрыстирола 1.3.5.7.8, 10. 11.12
Ниш карбонат 1.8,11.13
Окончание табл. 17.4
Тсриен1дасты Клен*
УСЛОВНО ЛСТКО ГКЛГНПЛСМЫС
Пап шип и-1 хлорид пластифицированный 1.3,14.15. 16.17
Пи к '.н л li и р. '| I.I.I.I: 1.3. 6. 11. 18
Полиамиды 1.3.4.10. 19
Нентаиласт 1,3.8.20
Полис||емнлсноксид 1.11
][олисул1.фон 1.11, 13,23
Трудно склеиваемые
Политисы 1.3,7,15,21,22
Полипропилен 1.2.3.11,15
Фюроплагты 1.6.10.11.13.23
Пмматяи 1.8,13.20
* 1 — ::ti in4"-|.iFiuli'J!l. 2 — JIKlKCiaiBl-IHt.ilIJMИДИUflI .1 - M(i.in\.-KipiipijllIL1UKIIIUIi: 4 — ||к'11(1Л1>ПЫ11.
5 - :и■..iI.Iкi'11- i;nиuii; 6 — поЛ1Пкр|идгаын; 7 - iiaiiiBiiiiiuiaiieTniiiHii;8 - полиэфирный; 9 - игрхлор-■ и.' i и. .;.r 10 - ШТрИЛЬИЫЛ; II — «ОКСИДНЫЙ 12 — НО-ШсуЛьфиДНЫЙ; 13 - фсжеюКЛуЧуШВЫЙ: 14 — iiaiii:»|uipH№i|iiaiiaTiiMM: 15 — патнизониан.пиый: 16 - на основе сополимер;! м никл ацетата и И1111илх.1<1|1нла: 17 — на основе сополимера ни пил плен хлорида н акрило нитрила; 18 — на основе нена¬сыщенных iii■ in H]I:I]3>IH; 1'.' мпii.:i|iiiiiiiiii,iMii,ihi>iii; L'O — иноксидно-иолисулы^идный; 21 — iiawiionc каучука ii наоцилната; 22 — наоснонс сополимера эгилена и нннплпнетата; 23 - к|х>мпнйоргапичсскип.
8251
Для счелеиинпня изделий иэтерМОреективных пластиков, в том числе на КОЛ! позицион¬ных армщюнапных пластмасс (стекло-,угле-, гибридные пластики на олигомерном пропи¬тывающем составе) рекомендуется исполыювать клеи, перечисленные н табл. 17.5.
Соединяемые ПМ Клеи
Клеи для отвержденпых реактопластов
Подготовка поверхности к склеиванию состоит прежде всего в удалении загряз¬нений и следов масел, жира и любых других веществ, ухудшающих адгезионное взаи¬модействие. Поскольку в поверхностном слое изделий из пластмасс могут формиро¬ваться внутренние напряжения, мнкротрещнны и другие дефекты, то в ряде случаен рекомендуется зачистка и активация поверхностей деталей н зоне клеевого шва. Основной способ подготовки поверхностей из реактопластов — механическая обра¬ботка (наждачной бумагой, пес костру иная, шлифование) с последующим обезжири¬ванием. Большое значение имеет операция так называемой «подгонки поверхностей* в целях их плотного соприкосновения. Подготовка необходима при использовании клеев-расплавов, образующих в клеевом шве пленку микронной толщины. Наличие неплотностей в соединяемой поверхности может привести к разрыву клеевого шва.
Использование клеев-занолнптслен (клей без растворителей) не требует тщатель¬ной подготовки поверхностей.
Более СЛОЖНОЙ является подготовка поверхностей изделий из термопластов, которая также может производиться механическим, физическим или химическим способом. Не-иолярные пластики (ПЭ, ПП и др.) перед склеиванием подвергаются специальной обра¬ботке для создания на поверхности изделий полярных групп. В отдельных случаях ИСПОЛЬЗуюТ сильные окислители, применяют метод поглаживания пламенем горелки до появления глянца, обрабатывают поверхность сканирующим коронным разрядом.
Обработку наждачной бумагой используют для жестких термопластов (ПММА, ПВХ-вииипласт, ПС, ПК), но чтобы не ухудшать декоративных свойств изделий, «нрошкуреные* поверхности обрабатывают растворителем и проводят термообра¬ботку при Т= 7р.
При химической обработке по одному из рецептов поверхность ПЭВП и ПЭНП обезжиривают ацетоном, затем обрабатывают it течение 30 мин при 60 "С составом из Юм.ч.бихромата калия, 90 м. ч. серной КИСЛОТЫ и40м.Ч. воды, затем обильно промы¬вают водой и сушат. Поверхность ПП после обезжиривания ацетоном подвергают травлению хромовой кислотой при 70 'С в течение 15 мин с последующей обильной промывкой и сушкой при 75 "С (2-5 мин).
Поверхности изделий из ПВХ очищают 2-3-кратной обработкой трихлорэтнле¬ном, для изделий из ПС. УПС, АБС используют изопроииловый пли метиловый спирт.
Сравнительно новые рецепты химической подготовки поверхностен изделий из термопластов приведены в табл. 17.6.
Таблица 17.6
Способы химической подготовки к склеиванию поверхностей изделий из термопластов
Режим обработки
Термопласт Состав ванны темпера- продолжи- Примечания
тура. *С тсльность, с
Фторопласт--1 Натрии — 23 г. 20 600 Перед обработкой по-
Нафталин — 12Н г, верхносп. иромыидет-
Тетрагидрофуран — I л ся аистовом, а носче
обработки — нзонра-пнлевовым спиртом и водой
Приготовление клея. Эту операцию лучше доверить специализированным пред¬приятиям, поскольку составы современных клеев многокомпонентны и их смешение требует специализированного оборудования и технологии.
И тем не менее о некоторых операциях приготовления клеев необходимо знать. Дело в том. что промышленность производит клеи одноупаконочные — готовые к непо¬средственному употреблению, и двухупаковочные — поставляемые в виде двух соста¬вов, которые перед использованием необходимо смешать. Как правило, это терморсак-тнпные клен, требующие обезатслыюго использования отпердителей. В рецептуре такого клея указывается соотношение олнгамер-отверднтель. Например, для широко распространенного двухупаковочного клея на основе энокендианоной смолы ЭД-20 н отвердителя НЭПА (нолиэгиленнолнамина) рекомендуется соотношение 10 :1.
Жизнеспособность жидких клеев после смешения исчисляется в лучшем случае часами, поэтому их приготовление должно происходить быстро, в количествах, определяемых производственной необходимостью. Не допускается при смешива¬нии компонентов образование в нем пузырьков воздуха, которые будут снижать прочность клеевого шва.
Нанесение жидких клеев осуществляется кистью, шпателем или иным способом. Выбор способа нанесения определяется размерами и конфигурацией клеевых швов, масштабами и технологическими особенностями производства изделия.
Жидкие одноупаконочные клеи, поставляемые в тубах, наносят непосредственно на склеиваемые участки с применением наконечников.
В крупноссрииных пгюнзводствах (нанесение клея па бумагу, тскспить, стеклоткань и пр.) нс1кх1ьзуются iciee-iKviHiuiiiK', каково-ракельные, ватковс>-гютапрннтныс маши¬ны, применяется воздушное распыление, нанесение в .электростатическом поле.
Сборка клеевого соединения пластмассовых деталей выполняется но технологии, oiT редел я ем ой свойствами ИСПОЛЬЗуеыого клея. Вместе с тем продолжают действо¬вать п общие рекомендации:
— толщина клеевой пленки не должна превышать 0,1 мм;
— слой жидкого клея выдерживают при температуре нанесения определенное время, как правило, до «отлина»;
— для сборки клеевых конструкций рекомендуется ислолыншать технологиче¬ские приспособления, способствуют не ПЛОТНОСТИ И равномерности прижатия соединяемых поверхностей;
давление на клеевой шов должно быть равномерным;
— клеи, не требующие нагревания, выдерживаются по их паспортизованной тех¬нологии.
При производстве изделии склеиванием необходимо тщательное соблюдение тре¬бований техники безопасности и экологической чистоты процессов.
Техника безопасности. Синтетические клеи обычно содержат токсичные вещест¬ва и поэтому окалывают вредное воздействие при вдыхании и попадании на кожу. I По¬тому на участках склеивания предусматриваются различные санитарно-гигиенические мероприятия:
1) местная приточно-вытяжная вентиляция в помещениях нанесения клея, сбор¬ки, запрессовки изделий и нагревания;
2) взвешивание компонентов клеев и их смешивание производится в вытяжных шкафах- а для больших количеств клея — в смесителях, снабженных местной венти¬ляцией;
3) работающий с клеем должен быть в спецодежде в виде комбинезона из плотной ткани, фартука из прорезиненной ткани нлн полимерных пленок, головного убора и очков для предохранения глаз от брызг.
Закончив работу, работник должен смыть клей с рук и перчаток растворителем и теплой водой с мылом, после чего принять горячий душ.
Такие сотрудники подвергаются ежемесячному медицинскому освидетелытвов;!-нню и при обнаружении кожных заболеваний временно нлн постояшю (по заключению врача) переводятся на другой участок работ, не связанный с синтетическими клеями.
Ниже приведены предельно допустимые концентрации некоторых токсичных га¬зов и паров (в МГ/М3) в рабочих помещениях:
Аммиак 20 Ксилол 50
А питав 20» Спирт этиловый 1000
Нсвзнл 300 Толуол 50
Певзол 20 Фенол в
Гексамстилеилиамнн 1 Формальдегид 1
Гексамсписнднизощшкат 0.05 Фурфурол 10
Дихлорэтан 10
При работе с циапакрнлатньши клеями требуется особенно тщательное соблюде¬ние правил техники безопасности (очки, перчатки, респиратор, соблюдение правил гигиены).
Это метод неразъемного соединения разнородных или однородных ПО виду поли* черного материала заготовок в изделие. Достоинства клеевых соединений: полное со¬хранение структуры, физических и декоративных свойств соединяемых деталей в зоне шва; возможность регулирования площади шва и таким образом получение вы¬сокопрочных соединений при сравнительно невысокой прочности самого клея; МММ потребление в процессе образования клеевого шва внешней тепловой или иного вида энергии или ее полное исключение; возможность веления операций склеивания в экст¬ремальных условиях, например под водой; возможность придания клеевым соединени¬ям НОВЫХ СВОЙСТВ за счет особых качеств клеевого материала (электринроводность, теп¬лопроводность, акустические свойства, барьерные свойства и пр.); применимость клея как в крупносерийном, так и в мелкосерийном производстве.
Эти и другие (не перечисленные) достоинства клеев являются причиной непре¬рывного и быстрого роста интереса к их производству и использованию. Известно, что. например, в автомобильной промышленности в период с 1978 ПО 1987 г. количе¬ство клея, расходуемого на производство одного автомобиля, возросло с 9-11 до 22-25 кг. В современных автомобилях доля клея составляет до 1,2% массы. Широко известны примеры применения клеев в самолетостроении, скоростном судостроении и в других областях.
Создание клеев стало самостоятельной и весьма сложной отраслью технологии пластмасс.
Взаимодействием клеевого слоя с подложкой, химическими и физическими про¬цессами в клеевых соединениях занимается новая отрасль полимерной науки — адге¬зии л огня.
Получение клеев, их индивидуальные СВОЙСТВО и технология находятся вне тема¬тики ДВШЮЙ книги. Для зашггересошпшого читателя в конце главы приводится пере¬чень литературы но этим проблемам.
В производстве изделий из пластмасс склеиванием необходимо учитывать следующее.
Качество получаемых соединений определяется:
— правильностью выбора клея:
— тщательностью подготовки склеиваемых поверхностей;
— точностью выполнения технологических условий склеивания, зависящих от свойств выбранного клея;
— тщательным контролем качества выполняемых операции.
НЗак 411
Перечисленные условия, ни сути, являются технологической последовательно* егью процесса склеивания. Необходима отчетливо понимать, что несоблюдение хотя бы одного из перечисленных условий может вместо полож1ггедьного эффекта при вести к отрицательному результату, перекрывающему достоинства клеев.
Выбор клея. Существует великое разнообразие предлагаемых промышленностью клеевых материалов, свидетельствующее, в частности, что универсальных клеев не бывает. Есть клен, в большей нлн меньшей степени специализированные для конкретного производства. Например, обувной клей для конвейерного производства спортивной обуви из пластифицированного ПВХ н синтетической ткани определен¬ного состава, с использованием инфракрасных нагревателей, является специальным. Бытовой клей, пригодный для несложного разнообразного бытового применения -скрепления бумаги, кожи, дерева и пр. -- называют универсальным, хотя он и не обес¬печивает максимальной прочности соединений при всех видах его использования.
При выборе промышленного клея прежде всего учитывается природа соединяе¬мых материалов, называемых также подложкой, влияющая на полярность, реакцион¬ную способности структуру, текстуру и растворимость поверхностей клеевого шва.
Конструктивные, технологические, экономические и другие условия являются хотя и важными, но вторичными.
Как правило, при склеивании пластмасс рекомендуется использовать клен, близ¬кие но химической природе к соединяемым материалам. В этом случае свойства кле¬евого слон и ПОДЛОЖКИ будут различаться мало, условия формирования клеевого шва будут близки к условиям формирования соединяемых изделий н это, в свою очередь, будет способствовать монолитности соединения,
По физическому состоянию к моменту использования, то есть по морфологиче¬скому признаку, клен подразделяются на: клен-растворы; клен-расплавы; лаковые клеи; клен порошковые и клеи пленочные.
В производстве изделий из пластмасс с использованием иеразьемных клеевых соединений применяются [данным образом клеевые составы в виде растворов или расплавов. Последнее определение довольно условно, скорее оно свидетельствует об отсутствии в таком составе растворителя. Так или иначе, перечисленные разновидно¬сти клеев представляют собой жидкости различной вязкости от легкотекуч их до близких к пастам.
Для склеивания термопластов в самом общем случае рекомендуются текучие клен, приведенные в табл. 17.4.
Таблица 17.4
Клен для соединения термопластов
Термопласты Клеи*
Легко склеиваемые
Полнпкрнллтм 1,2.3.4,5
Полиииинлхлорид ненллетпфиипронанпып 3, (5. 7.8, 9. 10. 11
Патнстнрол исополнжрыстирола 1.3.5.7.8, 10. 11.12
Ниш карбонат 1.8,11.13
Окончание табл. 17.4
Тсриен1дасты Клен*
УСЛОВНО ЛСТКО ГКЛГНПЛСМЫС
Пап шип и-1 хлорид пластифицированный 1.3,14.15. 16.17
Пи к '.н л li и р. '| I.I.I.I: 1.3. 6. 11. 18
Полиамиды 1.3.4.10. 19
Нентаиласт 1,3.8.20
Полис||емнлсноксид 1.11
][олисул1.фон 1.11, 13,23
Трудно склеиваемые
Политисы 1.3,7,15,21,22
Полипропилен 1.2.3.11,15
Фюроплагты 1.6.10.11.13.23
Пмматяи 1.8,13.20
* 1 — ::ti in4"-|.iFiuli'J!l. 2 — JIKlKCiaiBl-IHt.ilIJMИДИUflI .1 - M(i.in\.-KipiipijllIL1UKIIIUIi: 4 — ||к'11(1Л1>ПЫ11.
5 - :и■..iI.Iкi'11- i;nиuii; 6 — поЛ1Пкр|идгаын; 7 - iiaiiiBiiiiiuiaiieTniiiHii;8 - полиэфирный; 9 - игрхлор-■ и.' i и. .;.r 10 - ШТрИЛЬИЫЛ; II — «ОКСИДНЫЙ 12 — НО-ШсуЛьфиДНЫЙ; 13 - фсжеюКЛуЧуШВЫЙ: 14 — iiaiii:»|uipH№i|iiaiiaTiiMM: 15 — патнизониан.пиый: 16 - на основе сополимер;! м никл ацетата и И1111илх.1<1|1нла: 17 — на основе сополимера ни пил плен хлорида н акрило нитрила; 18 — на основе нена¬сыщенных iii■ in H]I:I]3>IH; 1'.' мпii.:i|iiiiiiiiii,iMii,ihi>iii; L'O — иноксидно-иолисулы^идный; 21 — iiawiionc каучука ii наоцилната; 22 — наоснонс сополимера эгилена и нннплпнетата; 23 - к|х>мпнйоргапичсскип.
8251
Для счелеиинпня изделий иэтерМОреективных пластиков, в том числе на КОЛ! позицион¬ных армщюнапных пластмасс (стекло-,угле-, гибридные пластики на олигомерном пропи¬тывающем составе) рекомендуется исполыювать клеи, перечисленные н табл. 17.5.
Соединяемые ПМ Клеи
Клеи для отвержденпых реактопластов
Подготовка поверхности к склеиванию состоит прежде всего в удалении загряз¬нений и следов масел, жира и любых других веществ, ухудшающих адгезионное взаи¬модействие. Поскольку в поверхностном слое изделий из пластмасс могут формиро¬ваться внутренние напряжения, мнкротрещнны и другие дефекты, то в ряде случаен рекомендуется зачистка и активация поверхностей деталей н зоне клеевого шва. Основной способ подготовки поверхностей из реактопластов — механическая обра¬ботка (наждачной бумагой, пес костру иная, шлифование) с последующим обезжири¬ванием. Большое значение имеет операция так называемой «подгонки поверхностей* в целях их плотного соприкосновения. Подготовка необходима при использовании клеев-расплавов, образующих в клеевом шве пленку микронной толщины. Наличие неплотностей в соединяемой поверхности может привести к разрыву клеевого шва.
Использование клеев-занолнптслен (клей без растворителей) не требует тщатель¬ной подготовки поверхностей.
Более СЛОЖНОЙ является подготовка поверхностей изделий из термопластов, которая также может производиться механическим, физическим или химическим способом. Не-иолярные пластики (ПЭ, ПП и др.) перед склеиванием подвергаются специальной обра¬ботке для создания на поверхности изделий полярных групп. В отдельных случаях ИСПОЛЬЗуюТ сильные окислители, применяют метод поглаживания пламенем горелки до появления глянца, обрабатывают поверхность сканирующим коронным разрядом.
Обработку наждачной бумагой используют для жестких термопластов (ПММА, ПВХ-вииипласт, ПС, ПК), но чтобы не ухудшать декоративных свойств изделий, «нрошкуреные* поверхности обрабатывают растворителем и проводят термообра¬ботку при Т= 7р.
При химической обработке по одному из рецептов поверхность ПЭВП и ПЭНП обезжиривают ацетоном, затем обрабатывают it течение 30 мин при 60 "С составом из Юм.ч.бихромата калия, 90 м. ч. серной КИСЛОТЫ и40м.Ч. воды, затем обильно промы¬вают водой и сушат. Поверхность ПП после обезжиривания ацетоном подвергают травлению хромовой кислотой при 70 'С в течение 15 мин с последующей обильной промывкой и сушкой при 75 "С (2-5 мин).
Поверхности изделий из ПВХ очищают 2-3-кратной обработкой трихлорэтнле¬ном, для изделий из ПС. УПС, АБС используют изопроииловый пли метиловый спирт.
Сравнительно новые рецепты химической подготовки поверхностен изделий из термопластов приведены в табл. 17.6.
Таблица 17.6
Способы химической подготовки к склеиванию поверхностей изделий из термопластов
Режим обработки
Термопласт Состав ванны темпера- продолжи- Примечания
тура. *С тсльность, с
Фторопласт--1 Натрии — 23 г. 20 600 Перед обработкой по-
Нафталин — 12Н г, верхносп. иромыидет-
Тетрагидрофуран — I л ся аистовом, а носче
обработки — нзонра-пнлевовым спиртом и водой
Приготовление клея. Эту операцию лучше доверить специализированным пред¬приятиям, поскольку составы современных клеев многокомпонентны и их смешение требует специализированного оборудования и технологии.
И тем не менее о некоторых операциях приготовления клеев необходимо знать. Дело в том. что промышленность производит клеи одноупаконочные — готовые к непо¬средственному употреблению, и двухупаковочные — поставляемые в виде двух соста¬вов, которые перед использованием необходимо смешать. Как правило, это терморсак-тнпные клен, требующие обезатслыюго использования отпердителей. В рецептуре такого клея указывается соотношение олнгамер-отверднтель. Например, для широко распространенного двухупаковочного клея на основе энокендианоной смолы ЭД-20 н отвердителя НЭПА (нолиэгиленнолнамина) рекомендуется соотношение 10 :1.
Жизнеспособность жидких клеев после смешения исчисляется в лучшем случае часами, поэтому их приготовление должно происходить быстро, в количествах, определяемых производственной необходимостью. Не допускается при смешива¬нии компонентов образование в нем пузырьков воздуха, которые будут снижать прочность клеевого шва.
Нанесение жидких клеев осуществляется кистью, шпателем или иным способом. Выбор способа нанесения определяется размерами и конфигурацией клеевых швов, масштабами и технологическими особенностями производства изделия.
Жидкие одноупаконочные клеи, поставляемые в тубах, наносят непосредственно на склеиваемые участки с применением наконечников.
В крупноссрииных пгюнзводствах (нанесение клея па бумагу, тскспить, стеклоткань и пр.) нс1кх1ьзуются iciee-iKviHiuiiiK', каково-ракельные, ватковс>-гютапрннтныс маши¬ны, применяется воздушное распыление, нанесение в .электростатическом поле.
Сборка клеевого соединения пластмассовых деталей выполняется но технологии, oiT редел я ем ой свойствами ИСПОЛЬЗуеыого клея. Вместе с тем продолжают действо¬вать п общие рекомендации:
— толщина клеевой пленки не должна превышать 0,1 мм;
— слой жидкого клея выдерживают при температуре нанесения определенное время, как правило, до «отлина»;
— для сборки клеевых конструкций рекомендуется ислолыншать технологиче¬ские приспособления, способствуют не ПЛОТНОСТИ И равномерности прижатия соединяемых поверхностей;
давление на клеевой шов должно быть равномерным;
— клеи, не требующие нагревания, выдерживаются по их паспортизованной тех¬нологии.
При производстве изделии склеиванием необходимо тщательное соблюдение тре¬бований техники безопасности и экологической чистоты процессов.
Техника безопасности. Синтетические клеи обычно содержат токсичные вещест¬ва и поэтому окалывают вредное воздействие при вдыхании и попадании на кожу. I По¬тому на участках склеивания предусматриваются различные санитарно-гигиенические мероприятия:
1) местная приточно-вытяжная вентиляция в помещениях нанесения клея, сбор¬ки, запрессовки изделий и нагревания;
2) взвешивание компонентов клеев и их смешивание производится в вытяжных шкафах- а для больших количеств клея — в смесителях, снабженных местной венти¬ляцией;
3) работающий с клеем должен быть в спецодежде в виде комбинезона из плотной ткани, фартука из прорезиненной ткани нлн полимерных пленок, головного убора и очков для предохранения глаз от брызг.
Закончив работу, работник должен смыть клей с рук и перчаток растворителем и теплой водой с мылом, после чего принять горячий душ.
Такие сотрудники подвергаются ежемесячному медицинскому освидетелытвов;!-нню и при обнаружении кожных заболеваний временно нлн постояшю (по заключению врача) переводятся на другой участок работ, не связанный с синтетическими клеями.
Ниже приведены предельно допустимые концентрации некоторых токсичных га¬зов и паров (в МГ/М3) в рабочих помещениях:
Аммиак 20 Ксилол 50
А питав 20» Спирт этиловый 1000
Нсвзнл 300 Толуол 50
Певзол 20 Фенол в
Гексамстилеилиамнн 1 Формальдегид 1
Гексамсписнднизощшкат 0.05 Фурфурол 10
Дихлорэтан 10
При работе с циапакрнлатньши клеями требуется особенно тщательное соблюде¬ние правил техники безопасности (очки, перчатки, респиратор, соблюдение правил гигиены).
16.1. Спекание
16.1. Спекание
Спеканием производят изделия из полимеров, температура плавления которых превышает температуру термодеструкции, Основным представителем таких пласт¬масс являются фторопласты, а именно Ф-4 и Ф-4-НТД.
Они поставляются в виде белого рыхлого, жирного при растирании пальцами порошка с насыпной плотностью 400-500 кг/м . При нагревании фторопласт не плавится, в интервале температур 260-380 °С он размягчается, а при 415 'С на¬чинается его интенсивное разложение с образованием более чем вредных токсичных газо¬образных продуктов, представляющих собой соединения фтора (перфторизобути-,'icii, фтористый водород и др.). Фторопласт - кристаллический полимер. Его крис¬талличность может достигать 90%, по степень кристалличности зависит от режима нагревания-охлаждения при температуре от 260 до 380 "С.
Фторопласт характеризуется набором весьма ценных свойств, а именно; абсолют¬ной химической стойкостью, тсилостой костью до 250 !С, высокими диэлектрическими показателями, высокой антифрикционностью (р1|( < 0,05). Отрицательными свойства¬ми фторопласта являются: хладотекучесть при сравнительно невысоких напряжени¬ях (о\.ж > 15 МПа), быстрая истираемость при скоростях нескольким более 0,3 м/с и трудная перерабатываем ость в изделия.
Изготовление изделий из Ф-4 и Ф-4-ПТД включает следующие основные опера-пни: холодное формование заготовок, спекание заготовок в изделия в свободном со¬стоянии, охлаждение изделий и при необходимости механическая обработка.
Формование зяютомж выполняется на годравлических прессах при удельном давле¬нии в пресс-форме 30-40 МПа. Увеличение давления выше 40 МПа может привести к холодной вытяжке и в дальнейшем — к появлению третий в изделии. Загружаемый в форму порошок должен быть легкосыпучим. Поскольку Хлоропласт при хранении мо¬жет комковатьсн. то перед использованием порошок рыхлят, а в отдельных случаях тер-мостатируют при 240-250 *С до 120 минут для удаления низкомолекулярных фракций.
Порошок в форме разравнивают для достижения равноплотностн по всему объе¬му заготовки. Давление пуансона должно развиваться медленно н по достижении максимального значения выдерживаться в течение 2-3 мни. Луч шне результаты в от¬ношении равноплотностн дает двухстороннее прессование таблеток.
Плотность 41ТОроплвста в отформованной заготовке должна составлять 133-1,85 т/м3.
Спекание заготовок выполняется в специальных печах с многосторонним электри¬ческим нагревом п воздушной циркуляцией, выравнивающей температуру. Нагрев ступенчатый, с выдержкой при температуре 342 'С (аморфизацня кристаллической фазы) и 360-380 *С (размягчение всей массы фторопласта и ее «сплавление», сопро¬вождающееся проявлением эффекта прозрачности). Плотность спеченной заготовки должна составлять 2,2 т/м'\ сопровождающая его усадка достигает 4-7 %.
Продолжительность спекания определяется из расчета примерно 1 час на 3 мм толщины изделия.
Охлаждение заготовок, то есть образование собственно изделий с требуемым ком¬плексом свойств, — весьма ответственная операция. В зависимости от скорости ох¬лаждения н изделии <|х>рмнрустся преимущественно аморфная пли кристаллическая структуры, которые определяют такие свойства, как эластичность, газонепроницае¬мость, твердость, жесткость.
Аморфная структура формируется при быстром охлаждении изделия в интервале температур от температуры спекания до 250 'С. Закалка достигается опусканием из-зелий в воду. При ТАКОЙ обработке содержание кристаллической фазы в изделии не превышает 50 %.
Кристаллическая структура (степень кристалличности до 70 %) формируется при медленном охлаждении спеченных изделий непосредственно в остывающей печи. За¬готовки толщиной более 100 мм для предотвращения внутренних напряжений следу я охлаждать медленно.
Механическая обработка (токарная, фрезерование, сверление и другие способы) зтеченных заготовок применяется при производстве пленок и изделий различной конфигурации. При работе с фторопластам и рекомендуются высокие скорости режу-цего инструмента при его малых подачах.
Фторопластовые пленки получают двумя основными пюсобами. Первый состоит ) том. что цилиндрическую заготовку рабатывают при помощи широкого токарного ч-зца: патучеииую плоскую стружку татщнной 15-1000 мкм раскатывают между горя-1ими валками до уменьшения ее толщины до 5-7 мкм. Такая пленка менее триста, име-т повышенную продольную прочшкть и удушенные диэлектрические характеристи-vii (электрическая прочность до 250 к В/мм). Второй способ является непрерывным. Его :ущность состоит в следующем: порошкообразный полимер из вибропитателя подастся мл двухвалковый горизонтальный каландр и однократно прокатывается до толщины 10-50 мкм, а затем поступает в ванну с солевым расплавом, имеющим температуру при¬мерно 380 'С, где и происходит процесс равномерного и быстрого спекания. Далее плен¬ка Проходит через тянущие валки, поступает навалки раскаточные, затем у нее обреза¬ют кромку н наматывают в катушки и рулоны.
Фторопластовые трубы, шланги, капилляры и профильные изделия получают экструапонным методом, используя поршневой или червячный экструдер и головку с удлиненным дорном. Для облегчения переработки в порошок фторопласта добавля¬ют бензин или 6 %-ный раствор полиизобутилена в бензине. Сыпучесть Ф-4 также можно улучшить предварительным спеканием исходного порошка с последующим его измельчением или гранулированием.
Процесс червячной экструзии изделий из фторопласта состоит в следующем. Порошок или гранулы полимера поступают в нсобогреваемый материальный ци¬линдр, захватываются червяком н транспортируются в головку (червяк одно- или двухзаходный. с постоянными шагом и глубиной нарезки). Учитывая низкий коэффи¬циент трения фторопласта и отсутствие нагрева или охлаждения материала, па внут¬ренней поверхности цилиндра следует предусмотреть продольные канавки глуби¬ной до 1 -2 мм. Сжатие полимера происходит в головке, конический переход которой к формующему каналу составляет около 20°.
Особенность формующей головки состоит в увеличенной длине дорновой части, до¬стигающей 90D (D — диаметр изделия), а также в ее терморе|улнроваиии. В начальной части формующего зазора фторопласт должен спекаться нрн температуре 380 "С, а в кни¬це — охлаждаты:я до 250 *С. Для центрирования столь длинного дорна используют кон¬центрическую втулку, свободно посаженную на его конец. При пуске экструдера образу¬ющееся изделие выталкивает эту втулку и далее самоцентрирует положение дорна.
Регулируя степень сжатия порошка фторопласта и температуру по длине дорна, можно получать изделия с различной плотностью и, соответствен и о. проницаемо¬стью. Кроме того, используя промежуточную колык-пую загрузку, удается получать трубки и капилляры с различной норнстостью но толщине стенки. Таким образом производят изделия с мембранным зффектом, необходимым н кардиохирургическом ВИДОПротезнрованни. По этой прецизионной технологии в России работает фирма «Экофлон» (Санкт-Петербург).
Экструзионным методом получают изолированные провода и кабели для экстре¬мальных условии эксплуатации (агрессивность среды, повышенные температуры), уплотнители, трубы, фитинги для нужд химической промышленности. Листовой фторопласт используют для покрытий в виде циновок в спортивных сооружениях (летние трамплины и лыжные трассы).
Из композиции на основе фторопластов с различным наполнителем (кокс, гра¬фит, дисульфид молибдена, тальк) получают антифрикционные, не требующие смаз¬ки детали подшипников скольжения и сепараторы для подшипников качения.
Спеканием производят изделия из полимеров, температура плавления которых превышает температуру термодеструкции, Основным представителем таких пласт¬масс являются фторопласты, а именно Ф-4 и Ф-4-НТД.
Они поставляются в виде белого рыхлого, жирного при растирании пальцами порошка с насыпной плотностью 400-500 кг/м . При нагревании фторопласт не плавится, в интервале температур 260-380 °С он размягчается, а при 415 'С на¬чинается его интенсивное разложение с образованием более чем вредных токсичных газо¬образных продуктов, представляющих собой соединения фтора (перфторизобути-,'icii, фтористый водород и др.). Фторопласт - кристаллический полимер. Его крис¬талличность может достигать 90%, по степень кристалличности зависит от режима нагревания-охлаждения при температуре от 260 до 380 "С.
Фторопласт характеризуется набором весьма ценных свойств, а именно; абсолют¬ной химической стойкостью, тсилостой костью до 250 !С, высокими диэлектрическими показателями, высокой антифрикционностью (р1|( < 0,05). Отрицательными свойства¬ми фторопласта являются: хладотекучесть при сравнительно невысоких напряжени¬ях (о\.ж > 15 МПа), быстрая истираемость при скоростях нескольким более 0,3 м/с и трудная перерабатываем ость в изделия.
Изготовление изделий из Ф-4 и Ф-4-ПТД включает следующие основные опера-пни: холодное формование заготовок, спекание заготовок в изделия в свободном со¬стоянии, охлаждение изделий и при необходимости механическая обработка.
Формование зяютомж выполняется на годравлических прессах при удельном давле¬нии в пресс-форме 30-40 МПа. Увеличение давления выше 40 МПа может привести к холодной вытяжке и в дальнейшем — к появлению третий в изделии. Загружаемый в форму порошок должен быть легкосыпучим. Поскольку Хлоропласт при хранении мо¬жет комковатьсн. то перед использованием порошок рыхлят, а в отдельных случаях тер-мостатируют при 240-250 *С до 120 минут для удаления низкомолекулярных фракций.
Порошок в форме разравнивают для достижения равноплотностн по всему объе¬му заготовки. Давление пуансона должно развиваться медленно н по достижении максимального значения выдерживаться в течение 2-3 мни. Луч шне результаты в от¬ношении равноплотностн дает двухстороннее прессование таблеток.
Плотность 41ТОроплвста в отформованной заготовке должна составлять 133-1,85 т/м3.
Спекание заготовок выполняется в специальных печах с многосторонним электри¬ческим нагревом п воздушной циркуляцией, выравнивающей температуру. Нагрев ступенчатый, с выдержкой при температуре 342 'С (аморфизацня кристаллической фазы) и 360-380 *С (размягчение всей массы фторопласта и ее «сплавление», сопро¬вождающееся проявлением эффекта прозрачности). Плотность спеченной заготовки должна составлять 2,2 т/м'\ сопровождающая его усадка достигает 4-7 %.
Продолжительность спекания определяется из расчета примерно 1 час на 3 мм толщины изделия.
Охлаждение заготовок, то есть образование собственно изделий с требуемым ком¬плексом свойств, — весьма ответственная операция. В зависимости от скорости ох¬лаждения н изделии <|х>рмнрустся преимущественно аморфная пли кристаллическая структуры, которые определяют такие свойства, как эластичность, газонепроницае¬мость, твердость, жесткость.
Аморфная структура формируется при быстром охлаждении изделия в интервале температур от температуры спекания до 250 'С. Закалка достигается опусканием из-зелий в воду. При ТАКОЙ обработке содержание кристаллической фазы в изделии не превышает 50 %.
Кристаллическая структура (степень кристалличности до 70 %) формируется при медленном охлаждении спеченных изделий непосредственно в остывающей печи. За¬готовки толщиной более 100 мм для предотвращения внутренних напряжений следу я охлаждать медленно.
Механическая обработка (токарная, фрезерование, сверление и другие способы) зтеченных заготовок применяется при производстве пленок и изделий различной конфигурации. При работе с фторопластам и рекомендуются высокие скорости режу-цего инструмента при его малых подачах.
Фторопластовые пленки получают двумя основными пюсобами. Первый состоит ) том. что цилиндрическую заготовку рабатывают при помощи широкого токарного ч-зца: патучеииую плоскую стружку татщнной 15-1000 мкм раскатывают между горя-1ими валками до уменьшения ее толщины до 5-7 мкм. Такая пленка менее триста, име-т повышенную продольную прочшкть и удушенные диэлектрические характеристи-vii (электрическая прочность до 250 к В/мм). Второй способ является непрерывным. Его :ущность состоит в следующем: порошкообразный полимер из вибропитателя подастся мл двухвалковый горизонтальный каландр и однократно прокатывается до толщины 10-50 мкм, а затем поступает в ванну с солевым расплавом, имеющим температуру при¬мерно 380 'С, где и происходит процесс равномерного и быстрого спекания. Далее плен¬ка Проходит через тянущие валки, поступает навалки раскаточные, затем у нее обреза¬ют кромку н наматывают в катушки и рулоны.
Фторопластовые трубы, шланги, капилляры и профильные изделия получают экструапонным методом, используя поршневой или червячный экструдер и головку с удлиненным дорном. Для облегчения переработки в порошок фторопласта добавля¬ют бензин или 6 %-ный раствор полиизобутилена в бензине. Сыпучесть Ф-4 также можно улучшить предварительным спеканием исходного порошка с последующим его измельчением или гранулированием.
Процесс червячной экструзии изделий из фторопласта состоит в следующем. Порошок или гранулы полимера поступают в нсобогреваемый материальный ци¬линдр, захватываются червяком н транспортируются в головку (червяк одно- или двухзаходный. с постоянными шагом и глубиной нарезки). Учитывая низкий коэффи¬циент трения фторопласта и отсутствие нагрева или охлаждения материала, па внут¬ренней поверхности цилиндра следует предусмотреть продольные канавки глуби¬ной до 1 -2 мм. Сжатие полимера происходит в головке, конический переход которой к формующему каналу составляет около 20°.
Особенность формующей головки состоит в увеличенной длине дорновой части, до¬стигающей 90D (D — диаметр изделия), а также в ее терморе|улнроваиии. В начальной части формующего зазора фторопласт должен спекаться нрн температуре 380 "С, а в кни¬це — охлаждаты:я до 250 *С. Для центрирования столь длинного дорна используют кон¬центрическую втулку, свободно посаженную на его конец. При пуске экструдера образу¬ющееся изделие выталкивает эту втулку и далее самоцентрирует положение дорна.
Регулируя степень сжатия порошка фторопласта и температуру по длине дорна, можно получать изделия с различной плотностью и, соответствен и о. проницаемо¬стью. Кроме того, используя промежуточную колык-пую загрузку, удается получать трубки и капилляры с различной норнстостью но толщине стенки. Таким образом производят изделия с мембранным зффектом, необходимым н кардиохирургическом ВИДОПротезнрованни. По этой прецизионной технологии в России работает фирма «Экофлон» (Санкт-Петербург).
Экструзионным методом получают изолированные провода и кабели для экстре¬мальных условии эксплуатации (агрессивность среды, повышенные температуры), уплотнители, трубы, фитинги для нужд химической промышленности. Листовой фторопласт используют для покрытий в виде циновок в спортивных сооружениях (летние трамплины и лыжные трассы).
Из композиции на основе фторопластов с различным наполнителем (кокс, гра¬фит, дисульфид молибдена, тальк) получают антифрикционные, не требующие смаз¬ки детали подшипников скольжения и сепараторы для подшипников качения.
15.7. Оснастка
15.7. Оснастка
Конструктивныеоссм'кчннхти оснастки завися! oi выбранного метода ILHотопле¬ния изделии из ЛПМ it истому весьма разнооГчкины. Шнншн являются требования, предъявляемые к материалу оснастки, выбор которого зависит от объема производст¬ва, технологии (в основном от давления, развиваемого при формовании), необходи¬мой точности и чистоты поверхности изделия, по формы и размеров. При этом доми¬нируют экономические требования - материал формующего инструмента должен быть по возможности дешевым, технологичным, достаточно прочным, жестким, кор-розиоиностойким, теплостойким. Все это особенно нажни потому, что основная об¬ласть применения ЛПМ — крупногабаритные изделия, для формования которых не всегда целесообразно изготавливать дорогостоящую оснастку, часто одноразовою действия. Поэтому н опытном, индивидуальном и мелкосерийном производствах формующий инструмент следует изготавливать из дерена, ipniiepbi. гипса, немей га. железобетона, различных шынмериых композиций (в том числе из стекло!сдаегнка). металлических сплавов, реже из металла, применение которого рационально .тишь в массовом производстве. В ряде случаев дли изготовления отдельных элементов (|юр-мующего инструмента ^пользуются даже композиции из носка, парафина и канифоли;
для уменьшения усадки таких композиций вводят значительное количество тонко-дисперсного (обычно алюминиевого) порошка.
Оснастка из дерева, несмотря па се очевидные преимущества и простоту, имеет ограниченное применение, обусловленное значительным влиянием температуры и влажности воздуха на форму и размеры формующих элементов. Влажность дере¬вянной оснастки не должна быть выше 12-15 %. На одной деревянной форме можно изготовить не более 10 изделий.
Формы из гипса, как показывает опыт, пригодны для методов формования при низком давлении, однако малая поверхностная твердость является причиной ограни¬ченного срока службы этих форм (до 10 малогабаритных изделий, одно изделие сред¬них габаритов размерами 2-3 м). Рабочую поверхность гипсовых форм из-за сильно развитой пористости обычно покрывают восковыми композициями. Присутствие влаги в гипсе может ипгибпровать (замедлять) процесс отверждения полимерного материала, поэтому такие формы рекомендуется тщательно просушивать.
Монолитные гипсовые формы изготавливают заливкой. Гипсовый раствор запол¬няет контрформу, выполненную из дерева и покрытую специальным разделительным слоем. В раствор можно добавлять куски отвержденного гипса, деревянные бруски. Уплотнение получаемой массы на вибростенде позволяет получать более качествен¬ную формующую поверхность. Отверждение гипса происходит примерно в течение 1 ч, затем форму выдерживают в термокамере в течение 18-20 ч при 40-50 "С. После сушки формующую поверхность покрывают твердой восковой композицией или ла¬ком на основе шеллака. Лаковые покрытия наносят па прошкурепную поверхность формы в одни пли несколько слоев, после чего тщательно шлифуют наждачной бума¬гой и полируют.
При изготовлении гипсовых пуансонов контрформа может ТОЛЬКО приблизитель¬но иметь контуры будущею изделия. Доводка элемента формы (иногда еще сырой) производится .механической обработкой. Сердцевина ГИПСОВОЙ формы однократного использования (разрушаемой при извлечении изделия) должна изготавливаться из ма¬лопрочного крупнозернистого материала. Гипсовые формы, состоящие из нескольких элементов (разборные формы), применяются крайне редко.
Формующие поверхности деревянной, фанерной п гипсовой оснастки при повы¬шенных требованиях к качеству поверхности изделий зашпаклевывают нитрошпат-Левкой, зачищают под окраску и покрывают эмалевой краской. В такой последовате¬льности обработка поверхности производится дважды.
Оснастка из бетона и подобных твердеющих композиций па неорганической основе Используется для изготовления, например, крупногабаритных станин станков.
Оснастка из стеклопластиков изготавливается на основе различных полиэфирных и эпоксидных смол с наполнителями из стеклотканей, стекл ох ол сто в, стскложгутов. В эпоксидные смолы добавляются — но опыту разных отраслей промышленности -минеральные порошкообразные наполнители (кварц, каолин, асбестовая мука), органи¬ческие наполнители (деревянные опилки, очесы, джутовое и льняное волокно), метал¬лические наполнители в виде железного, медного или алюминиевого порошка, тонкой проволоки. Металлические наполнители значительно (до 10-12 раз, но сравнению с ненаиолиенным полимером) увеличивают теплопроводность формующего инстру¬мента. Оснастка из стеклопластиков применяется в основном для изготовления крупногабаритных стеклопласт и ков ых изделий методами формования без давления. В качестве примеров для изготовления стсклопластиковон оснастки .можно привести следующие рекомендуемые композиции: смола ЭД-16 35 %, днбутилфталат 3,5 %, по-лиэтнленнол намин 3,5 %. железный порошок 58 %; смола ЭД-1С 40 %. днбутилфта¬лат 4 %, пол нэтнлсипол намин 4,0 %, маршалдит 52 %; смола ЭД-20 40 %, полиэтнлсн-полпамин 4,0 %. железный порошок 56 %.
При необходимости раковины и шероховатости формующих поверхностей осна¬стки изстеклопластнковзаделывают шпаклевкой на основе связующего с наполните¬лем {20-60 %), из которых изготовлена сама оснастка. Затем поверхности зашкурива¬ют и полируют.
Изготовление оснастки из неметаллических матерпапоп для (формования стекло-пластиковых изделий, как правило, выполняется в несколько этапов: получение моде¬ли или контрформы, отдельных формующих элементов,формы в целом. Необходимые операции процесса изготовления неметаллической оснастки п их последовательность зависят от применяемого материала и требований, предъявляемых к точности разме¬ров изделия, его форме и чистоте обработки поверхности. В ряде случаев используют¬ся возможности гальванотехники для образования поверхностного металлического
слоя, непосредственно соприкасающегося с полимерным материалом.
Для изготовления длинномерных стеклопластнконых изделий с внутренней поло¬стью (трубы, профили) используются специальные оправки — дорны. Основное требо¬вание, предъявляемся; К ЭТИМ элементам оснастки, — жесткость в сочетании с легкостью.
Этому требованию отвечают стальные, алюминиевые и неметаллические дорны. Мате¬риал выбирается в зависимости от конфшурацпп (|>ормуемого отверстия. Для прямоли¬нейных участков МОгуТ быть применены стальные или алюминиевые трубы, покрывае¬мые разделительным слоем ИЗ парафина ТОЛЩИНОЙ 1,5-2 ММ. Съем готового изделия с дорна облегчается благодаря пропусканию через него пара или горячей воды.
Криволинейные внутренние участки оформляются с помощью ДОрнОВ из воска в гипса. Эти дорны удаляются из ПОЛОСТИ ГОТОВОГО изделия выплавлением пли разру¬шением. Для тех же целей применяют резиновые шланги, заполненные МЯГКОЙ алю¬миниевой проволокой. Для съема изделия из АПМ из шланга извлекают проволоку, а через него Пропускают нар или горячую воду до расплавления разделительною па¬рафинового слоя толщиной 2,0-2,5 мм. который Предварительно наносят на шланг. После этого шланг свободно извлекается из изделия.
Оснастка из резины используется ограниченно, в основном только для изготовле¬ния изделий из АПМ методом формования с номошыо эластичной диафрагмы, а так¬же для получения резиновых чехлов и мешков. Наиболее важные требования к рези¬нам — теплостойкость н химическая стойкость к связующему композиции. Такими свойствами обладают Термостойкие резины на основе нсонренового, силиконового в бутилкаучука. Элементы оснастки выклеивают на болванке последовательно из 3-4 слоев ненулканизоваиной резины толщиной 0,8-1 мм, стыки соседних слоев ре¬зины не должны совпадать. Резину усиливают тканью, подклеиваемой изнутри чехла ИЛИ мешка в местах перехода его на фланец, размер которого увеличивают ДО"8-10 мм. Ткань помещают также в тех местах, где она не мешает растяжению резины при экс¬плуатации оснастки. После выклеивания оснастку вулканизируют в автоклаве по ре¬жиму, предусмотренному для данной марки резины.
Оснастка на металлических сплавов И металлов обладает наилучшими прочно¬стными показателями но сравнению с другими материалами, обеспечивая при этом высокое качество (формующих поверхностен. Однако технологический процесс изго¬товления металлических форм является весьма трудоемким и дорогостоящим. Эле¬менты форм из металлов изготавливаются в основном литьем с последующей механи¬ческой обработкой. Такие формы целесообразно применять только при достаточно высоких давлениях формования. Экономически рационально использование метал¬лической оснастки н при малых давлениях, но большой серийности производства. Независимо ОТ типа материала, используемого для изготовления оснастки для изде¬лий из ЛПМ. ее формующие поверхности обязательно покрывают разделительным слоем, облетающим снятие готового изделия с формы. Для получения разделитель¬ных покрытий применяют растворы, эмульсин, смазки. Плоские и цилиндрические поверхности форм могут быть изолированы пленкой из целлофана, полиэтилена, по¬ливинилового спирта и других материалов. Гипсовые и деревянные формы обычно покрываются раствором ацетата целлюлозы. Растворы поливинилового спирта и полн-изобутилена применяются для покрытия стеклопластиковых и металлических форм. Восковые li парафиновые эмульсии используются для обработки пористых неметалли¬ческих поверхностей с последующим нанесением поливинилового спирта. Кремнинор-ганические покрытия и особенно покрытия, образующие после термообработки твер¬дую пленку, могут обеспечить многократный съем стеклопластиковых изделий.
Конструктивныеоссм'кчннхти оснастки завися! oi выбранного метода ILHотопле¬ния изделии из ЛПМ it истому весьма разнооГчкины. Шнншн являются требования, предъявляемые к материалу оснастки, выбор которого зависит от объема производст¬ва, технологии (в основном от давления, развиваемого при формовании), необходи¬мой точности и чистоты поверхности изделия, по формы и размеров. При этом доми¬нируют экономические требования - материал формующего инструмента должен быть по возможности дешевым, технологичным, достаточно прочным, жестким, кор-розиоиностойким, теплостойким. Все это особенно нажни потому, что основная об¬ласть применения ЛПМ — крупногабаритные изделия, для формования которых не всегда целесообразно изготавливать дорогостоящую оснастку, часто одноразовою действия. Поэтому н опытном, индивидуальном и мелкосерийном производствах формующий инструмент следует изготавливать из дерена, ipniiepbi. гипса, немей га. железобетона, различных шынмериых композиций (в том числе из стекло!сдаегнка). металлических сплавов, реже из металла, применение которого рационально .тишь в массовом производстве. В ряде случаев дли изготовления отдельных элементов (|юр-мующего инструмента ^пользуются даже композиции из носка, парафина и канифоли;
для уменьшения усадки таких композиций вводят значительное количество тонко-дисперсного (обычно алюминиевого) порошка.
Оснастка из дерева, несмотря па се очевидные преимущества и простоту, имеет ограниченное применение, обусловленное значительным влиянием температуры и влажности воздуха на форму и размеры формующих элементов. Влажность дере¬вянной оснастки не должна быть выше 12-15 %. На одной деревянной форме можно изготовить не более 10 изделий.
Формы из гипса, как показывает опыт, пригодны для методов формования при низком давлении, однако малая поверхностная твердость является причиной ограни¬ченного срока службы этих форм (до 10 малогабаритных изделий, одно изделие сред¬них габаритов размерами 2-3 м). Рабочую поверхность гипсовых форм из-за сильно развитой пористости обычно покрывают восковыми композициями. Присутствие влаги в гипсе может ипгибпровать (замедлять) процесс отверждения полимерного материала, поэтому такие формы рекомендуется тщательно просушивать.
Монолитные гипсовые формы изготавливают заливкой. Гипсовый раствор запол¬няет контрформу, выполненную из дерева и покрытую специальным разделительным слоем. В раствор можно добавлять куски отвержденного гипса, деревянные бруски. Уплотнение получаемой массы на вибростенде позволяет получать более качествен¬ную формующую поверхность. Отверждение гипса происходит примерно в течение 1 ч, затем форму выдерживают в термокамере в течение 18-20 ч при 40-50 "С. После сушки формующую поверхность покрывают твердой восковой композицией или ла¬ком на основе шеллака. Лаковые покрытия наносят па прошкурепную поверхность формы в одни пли несколько слоев, после чего тщательно шлифуют наждачной бума¬гой и полируют.
При изготовлении гипсовых пуансонов контрформа может ТОЛЬКО приблизитель¬но иметь контуры будущею изделия. Доводка элемента формы (иногда еще сырой) производится .механической обработкой. Сердцевина ГИПСОВОЙ формы однократного использования (разрушаемой при извлечении изделия) должна изготавливаться из ма¬лопрочного крупнозернистого материала. Гипсовые формы, состоящие из нескольких элементов (разборные формы), применяются крайне редко.
Формующие поверхности деревянной, фанерной п гипсовой оснастки при повы¬шенных требованиях к качеству поверхности изделий зашпаклевывают нитрошпат-Левкой, зачищают под окраску и покрывают эмалевой краской. В такой последовате¬льности обработка поверхности производится дважды.
Оснастка из бетона и подобных твердеющих композиций па неорганической основе Используется для изготовления, например, крупногабаритных станин станков.
Оснастка из стеклопластиков изготавливается на основе различных полиэфирных и эпоксидных смол с наполнителями из стеклотканей, стекл ох ол сто в, стскложгутов. В эпоксидные смолы добавляются — но опыту разных отраслей промышленности -минеральные порошкообразные наполнители (кварц, каолин, асбестовая мука), органи¬ческие наполнители (деревянные опилки, очесы, джутовое и льняное волокно), метал¬лические наполнители в виде железного, медного или алюминиевого порошка, тонкой проволоки. Металлические наполнители значительно (до 10-12 раз, но сравнению с ненаиолиенным полимером) увеличивают теплопроводность формующего инстру¬мента. Оснастка из стеклопластиков применяется в основном для изготовления крупногабаритных стеклопласт и ков ых изделий методами формования без давления. В качестве примеров для изготовления стсклопластиковон оснастки .можно привести следующие рекомендуемые композиции: смола ЭД-16 35 %, днбутилфталат 3,5 %, по-лиэтнленнол намин 3,5 %. железный порошок 58 %; смола ЭД-1С 40 %. днбутилфта¬лат 4 %, пол нэтнлсипол намин 4,0 %, маршалдит 52 %; смола ЭД-20 40 %, полиэтнлсн-полпамин 4,0 %. железный порошок 56 %.
При необходимости раковины и шероховатости формующих поверхностей осна¬стки изстеклопластнковзаделывают шпаклевкой на основе связующего с наполните¬лем {20-60 %), из которых изготовлена сама оснастка. Затем поверхности зашкурива¬ют и полируют.
Изготовление оснастки из неметаллических матерпапоп для (формования стекло-пластиковых изделий, как правило, выполняется в несколько этапов: получение моде¬ли или контрформы, отдельных формующих элементов,формы в целом. Необходимые операции процесса изготовления неметаллической оснастки п их последовательность зависят от применяемого материала и требований, предъявляемых к точности разме¬ров изделия, его форме и чистоте обработки поверхности. В ряде случаев используют¬ся возможности гальванотехники для образования поверхностного металлического
слоя, непосредственно соприкасающегося с полимерным материалом.
Для изготовления длинномерных стеклопластнконых изделий с внутренней поло¬стью (трубы, профили) используются специальные оправки — дорны. Основное требо¬вание, предъявляемся; К ЭТИМ элементам оснастки, — жесткость в сочетании с легкостью.
Этому требованию отвечают стальные, алюминиевые и неметаллические дорны. Мате¬риал выбирается в зависимости от конфшурацпп (|>ормуемого отверстия. Для прямоли¬нейных участков МОгуТ быть применены стальные или алюминиевые трубы, покрывае¬мые разделительным слоем ИЗ парафина ТОЛЩИНОЙ 1,5-2 ММ. Съем готового изделия с дорна облегчается благодаря пропусканию через него пара или горячей воды.
Криволинейные внутренние участки оформляются с помощью ДОрнОВ из воска в гипса. Эти дорны удаляются из ПОЛОСТИ ГОТОВОГО изделия выплавлением пли разру¬шением. Для тех же целей применяют резиновые шланги, заполненные МЯГКОЙ алю¬миниевой проволокой. Для съема изделия из АПМ из шланга извлекают проволоку, а через него Пропускают нар или горячую воду до расплавления разделительною па¬рафинового слоя толщиной 2,0-2,5 мм. который Предварительно наносят на шланг. После этого шланг свободно извлекается из изделия.
Оснастка из резины используется ограниченно, в основном только для изготовле¬ния изделий из АПМ методом формования с номошыо эластичной диафрагмы, а так¬же для получения резиновых чехлов и мешков. Наиболее важные требования к рези¬нам — теплостойкость н химическая стойкость к связующему композиции. Такими свойствами обладают Термостойкие резины на основе нсонренового, силиконового в бутилкаучука. Элементы оснастки выклеивают на болванке последовательно из 3-4 слоев ненулканизоваиной резины толщиной 0,8-1 мм, стыки соседних слоев ре¬зины не должны совпадать. Резину усиливают тканью, подклеиваемой изнутри чехла ИЛИ мешка в местах перехода его на фланец, размер которого увеличивают ДО"8-10 мм. Ткань помещают также в тех местах, где она не мешает растяжению резины при экс¬плуатации оснастки. После выклеивания оснастку вулканизируют в автоклаве по ре¬жиму, предусмотренному для данной марки резины.
Оснастка на металлических сплавов И металлов обладает наилучшими прочно¬стными показателями но сравнению с другими материалами, обеспечивая при этом высокое качество (формующих поверхностен. Однако технологический процесс изго¬товления металлических форм является весьма трудоемким и дорогостоящим. Эле¬менты форм из металлов изготавливаются в основном литьем с последующей механи¬ческой обработкой. Такие формы целесообразно применять только при достаточно высоких давлениях формования. Экономически рационально использование метал¬лической оснастки н при малых давлениях, но большой серийности производства. Независимо ОТ типа материала, используемого для изготовления оснастки для изде¬лий из ЛПМ. ее формующие поверхности обязательно покрывают разделительным слоем, облетающим снятие готового изделия с формы. Для получения разделитель¬ных покрытий применяют растворы, эмульсин, смазки. Плоские и цилиндрические поверхности форм могут быть изолированы пленкой из целлофана, полиэтилена, по¬ливинилового спирта и других материалов. Гипсовые и деревянные формы обычно покрываются раствором ацетата целлюлозы. Растворы поливинилового спирта и полн-изобутилена применяются для покрытия стеклопластиковых и металлических форм. Восковые li парафиновые эмульсии используются для обработки пористых неметалли¬ческих поверхностей с последующим нанесением поливинилового спирта. Кремнинор-ганические покрытия и особенно покрытия, образующие после термообработки твер¬дую пленку, могут обеспечить многократный съем стеклопластиковых изделий.
15.6. Формование с эластичной диафрагмой
15.6. Формование с эластичной диафрагмой
При (рормоваини с эластично Л диафан мой (мембраной) получают изделия, на¬ружная И ВНуТреННЯЯ ПОВерХНОСТН КОТОРЫХ ПОВТОРЯЮТ МОрфоЛОГИЮ llOlk|>XHOCTlii формующих ллементон (самой формы и лна(|)рагмы).
К методам этой фушш относятся: накуумшк-формование, формование иод давле¬нием н автоклавное формование. Диафрагмы, нредставднкицне собой тонкие ЭЛВС-ТИЧИЫС мембраны (мешки) па сил октанового каучука, отделяют формуемую компо¬зицию ОТ находящихся под давлением газон н процессе отверждения материала. На герметичной полости, образующейся между (|юрмуемой композицией и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к диафрагме. Благодаря образующемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происхо¬дит прижим полимерного композиционного материала к жесткой форме соответству¬ющей кош|шгу|)ании. что обеспечивае! коне i рук шншм: оформление дг или КрОН того, в процессе прижима<|ич>муемая композиция уплотняется в результатеустране-ннн пустот и удаления избытка смолы. Отверждение композиции осущсствлиггся в прижатом к <|к1рме состоянии при комнатной температуре либо при нагревании жв-душными сушилками и другими уст|>ойствами. Схемы процессов формования с элас¬тичной диафрагмой приведены па рнс. 15.13 15.15.
Рис. 15.13. Схема вакуумного формо¬вания: / - ninnoDoli за-жим: 2 - првжпмно*' ко¬льцо: 3 эластичная диа¬фрагма; 4 — фориугшн изделие: 5 - фо|»1а
Рис. 15.14. Формование с властичпой диафрагмой вод давлени¬ем (зажимы не показаны): / - эластичная диафрагма; 2 крышка <|к>|].мы; J ка¬нал для подачи сжатою газа; 4 — OOKDRIK' выпускши-от¬верстие > — канал дли a*--линсиня с • ■ v ■ ■] ч 4t ИЛИ ■вкуумом; 6 - компшн ик¬онный материал
Описываемые м ;>< ни.ч-ы сходны с технологией контактного формовании благода¬ря послойной укладке л истовых армирующих элементов. Их основное отличие сниза¬но с использованием приемов для удалении избытка связующего и закладки пакета под эластичную днаф]>агму. Удаление избытка связующего проводят прикатывай нем смолы валиком через юлетую пленку, помешенную сверху на пакет. Иногда при этом прикладывается такое большое усилие, что разрушаются волокна и нарушается их ориентации, li этих случаях приходится выбирать меньший из недостатков либо допускать увеличенное содержание смолы, либо большее количество пор в компози¬те. Таким образом.) С технологической точки зрения весьма важным является вопрос подготовки исходных материалов к формованию.
При (рормоваини с эластично Л диафан мой (мембраной) получают изделия, на¬ружная И ВНуТреННЯЯ ПОВерХНОСТН КОТОРЫХ ПОВТОРЯЮТ МОрфоЛОГИЮ llOlk|>XHOCTlii формующих ллементон (самой формы и лна(|)рагмы).
К методам этой фушш относятся: накуумшк-формование, формование иод давле¬нием н автоклавное формование. Диафрагмы, нредставднкицне собой тонкие ЭЛВС-ТИЧИЫС мембраны (мешки) па сил октанового каучука, отделяют формуемую компо¬зицию ОТ находящихся под давлением газон н процессе отверждения материала. На герметичной полости, образующейся между (|юрмуемой композицией и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к диафрагме. Благодаря образующемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происхо¬дит прижим полимерного композиционного материала к жесткой форме соответству¬ющей кош|шгу|)ании. что обеспечивае! коне i рук шншм: оформление дг или КрОН того, в процессе прижима<|ич>муемая композиция уплотняется в результатеустране-ннн пустот и удаления избытка смолы. Отверждение композиции осущсствлиггся в прижатом к <|к1рме состоянии при комнатной температуре либо при нагревании жв-душными сушилками и другими уст|>ойствами. Схемы процессов формования с элас¬тичной диафрагмой приведены па рнс. 15.13 15.15.
Рис. 15.13. Схема вакуумного формо¬вания: / - ninnoDoli за-жим: 2 - првжпмно*' ко¬льцо: 3 эластичная диа¬фрагма; 4 — фориугшн изделие: 5 - фо|»1а
Рис. 15.14. Формование с властичпой диафрагмой вод давлени¬ем (зажимы не показаны): / - эластичная диафрагма; 2 крышка <|к>|].мы; J ка¬нал для подачи сжатою газа; 4 — OOKDRIK' выпускши-от¬верстие > — канал дли a*--линсиня с • ■ v ■ ■] ч 4t ИЛИ ■вкуумом; 6 - компшн ик¬онный материал
Описываемые м ;>< ни.ч-ы сходны с технологией контактного формовании благода¬ря послойной укладке л истовых армирующих элементов. Их основное отличие сниза¬но с использованием приемов для удалении избытка связующего и закладки пакета под эластичную днаф]>агму. Удаление избытка связующего проводят прикатывай нем смолы валиком через юлетую пленку, помешенную сверху на пакет. Иногда при этом прикладывается такое большое усилие, что разрушаются волокна и нарушается их ориентации, li этих случаях приходится выбирать меньший из недостатков либо допускать увеличенное содержание смолы, либо большее количество пор в компози¬те. Таким образом.) С технологической точки зрения весьма важным является вопрос подготовки исходных материалов к формованию.
15.5. Контактное формование
15.5. Контактное формование
Наиболее простым по аппарату рно-технол отческому оформлению способом по¬лучения полимерных композиционных материалов продолжает оставаться контакт¬ное формование, которое применяется дня изготовления крупногабаритных малона-гружениых деталей сложной конфигурации: коробчатых кожухов механизмов, баков, корпусов и других элементов лодок, катеров н пр. Контактное формование изделий в открытых формах осуществляют в основном двумя методами — ручной укладкой и напылением. Технология ручной укладки включает следующие основные операции:
— нанесение разделительных покрытий на формы;
— раскрой тканых или нетканых армирующих материалов;
— приготовление связующего;
— укладка армирующего материала на форму;
— нанесение на армирующий материал связующего и пропитка им арматуры;
— отверждение связующего при комнатной температуре или при нагревании ДО 70-95 "С;
— извлечение изделия из формы и его механическая обработка согласно требова¬ниям чертежа;
— контроль качества изделия.
Метод (формования напылением отличается от описанного тем, что волокнистая арматура (стекловолокно, базальтовое волокно, углеволокно) в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки — штаиельки — н доставляется в (форму одно¬временно со смесью соответствующей смолы и катализатора. Варьирование соотно¬шения смолы и наполнителя, вида армирующего материала и системы его укладки, типа смолы и ее наполнителей позволяет в широких пределах изменять свойства по¬лучаемых композиционных пластиков, поскольку структура и свойства композита, да и само изделие формообразуется в процессе его получения.
При конструировании деталей необходимо располагать данными о напряжениях, которые они будут испытывать в процессе хранения и эксплуатации, что позволяет определить необходимые прочностные характеристики применяемого материала.
Технологические особенности полимерных КОМПОЗИТОВ учитывают при конст¬руировании. Реальная минимальная толщина изделии: при формовании ручной укладкой слоен — 0,8 мм, при напылении — 1,5 мм. При наличии прямых внутрен¬них углом армирующий компонент стскловолокнистого композиционного материа¬ла (СВКМ) не будет прилегать к поверхности формы, прямые наружные углы арма¬тура не сможет охватить плотно (рис. 15.8). Минимальный радиус закругления внутренних углов 4.8-6,4 мм. При изменении толщины изделия следует прибавить вал убавить число споен материала. В целях ликвидации высоко напряженных зон необхо¬димо н:(бегать резких переходов толщины, изменять ее постепенно, укладывая стон ступенчато пли подобно кровельной черепице. Реальная максимальная толщина, в принципе, не ограничивается, но с учетом отверждения — б мм. В качестве основных элементов технологической оснастки при контактном формовании используют формы, модели и вставки (стержни). Их назначение аналогично традиционной оснастке, испо¬льзуемой в литейном производстве, но имеет ряд особенностей, зависящих от применя¬емых материалов. Модели и вставки изготавливают из дерева, гипса, комбинаций гипса С металлами И другими материалами. Для получения срорм часто используют стеклона-ПОЛпенные пластики. Рекомендуется следуюпдая последовательность операций:
— по указанным на чертеже размерам изготавливают модель из дерева, гипса, фа¬неры или другого материала; шероховатость ее поверхности должна быть такой же, как и ГОТОВОГО изделия:
— но модели методом выкладки или полива получают оболочку - форму, поверх¬ность которой в точности воспроизводит поверхность модели: сформированная по¬сле отверждения форма ил стскловолокнистого композита может быт ь упрочнена же¬стким материалом (металлом или деревом), чтобы не повредить ее при эксплуатации:
— форму отделяют от модели (при этом модель часто разрушают), осматривают ее поверхность и полируют для улучшения внешнего вида и облегчения извлечения формуемых изделий;
— па отполированную форму наносят несколько слоен пастоентразиого парафина (три нлн четыре). Каждый слой должен быть хорошо отполирован чистой салфеткой. После нанесения каждого слоя форма выдерживается до затвердевания парафина. Па стадии обкатки формы для облегчения съема готовых изделий периодически (после формования 1-4 деталей) на ее поверхность дополнительно напыляют поливинило¬вый спирт.
СВКМ
Рис. 15.8. Конструктивное оформление изделий из композиционных пластиков: а, 6- внут-
ри ie и наружные углы; в - изменение тол шины
Непосредственно перед формованием изделии на поверхность формы кистью либо распылением наносят наружный смоляной слой (гелысоат). Для ЭТОГО использу¬ют полиэфирную смолу, содержащую наполнители и пигменты, но без армирующих добавок. Эта композиция в процессе срормования переходит на формуемое изделие, образуя наружный слой. Обычно цвет гслькоата отличен от цвета композита, что обеспечивает визуадьнуюоценку полноты п равномерности нанесения покрытия.Та¬ким образом, «окрашивание» детали производится раньше, чем она будет изготовле¬на. Декоративная глянцевая поверхность практически не требует последующей от¬делки.
Следующей операцией является подготовка материала. Все типы армирующих Материалов — маты из рубленой стеклопряжн, ткани н тканый ровинг — поступают Б виде больших рулонов различной ширины. Лист нужной длины вырубается из ру¬лона и обрезается но шаблону. Затем тщательно смешивают заранее отмеренные ко¬личества смолы и отвердителя. Композицию можно наносить на подокно как вне фор¬мы, так и внутри нее. Возможно использование распылителя, который автоматически дозирует и смешивает компоненты. Для уплотнения материала и удаления пузырь¬ков воздуха применяют щетки, резиновые И зубчатые валики. Необходимое число слоев мага и (или) тканого ровинга набирается до достижения расчетной суммарной толщины. Слои мата и тканого ронинга следует чередовать для обеспечения хорошей иежслойной прочности сцепления, предотвращения появления воздушных включе¬ний. При использовании только матов содержание волокна должно быть 25-35 %. В стеклопластиках, полученных с применением матов и тканого ровинга, содержание стекловолокна находится в пределах 35-45 %, а при использовании только ткани — около 50%. Продолжительность отверждения смол и композитов зависит от темпера¬туры; при комнатной температуре — от 10-20 мни до 14 суток, при 65 "С — 5-30 мни. при 82 "С - 1,5-5 Мин.
При контактной формовке напылением измельченное волокно и смола одновремен¬но ВВОДЯТСЯ в Открытую форму. Ровинг волокна проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в (|юрму распылительной системой.
Обычно размер пгтанелек. на которые рубится ровинг, составляет 12-50 мм. Возможная схема напыления приведена на рис. 15.10. Одна распыл ютльная головка впрыскивает СМОЛу. ii|KMnapiiTf лыю смешанную с «твердигелем, или только отвсрдитсль. в то время как вторая головка полает сметь смолы с ускорителем отверждения. После введении в форму смолы с волокнистой армату ]юп обращавшийся слон прикатывают вручную ДЛЯ удаления воздуха,уплотнения н получения гладкой поверхности. Технология отвер¬ждения аналогична применяемся! при формовании ручной укладкой.
Пример современного оформления оборудования для напыления представлен на рис. 15.11.
При массовом производстве методами формования ручной укладкой и напылени¬ем таких изделии, кик корпуса лодок и катеров, раковины, ванны и пр., применяют |ю-боты (рис. 15.12). Преимущество автоматизированного устройства заключается ц возможности строгого выполнения технологических требовании и сведении функ¬ций оператора только к контролю за процессом, замене форм и обеспечению сырьем.
После отверждении композита производят обрезку и зачистку кромок. При пра¬вильном подборе отнердителя в конце стадии отверждения присутствует короткий отрезок времени, когда СЛОИСТЫЙ пластик становится твердым, нелнпким. кожепо¬добным. Именно в этот временной интервал можно ножевым устройством обрезать кромки по шаблону.
Преимуществами способов формования полимерных композиционных материа¬лов ручной укладкой п напылением являются: универсальность, возможность полу¬чения изделии сложной формы и большого размера, низкая стоимость оснастки, воз¬можность создавать слоистые конструкции, в том числе с закладными деталями, пригодность для опытного производства. Вместе с тем для них характерны большие затраты ручного труда, низкая производительность, зависимость качества изделий от квалификации формовщика, трудность обеспечения однородности материала н ста¬бильности его физико-Механических свойств. Контактной формовкой производят широкую номенклатуру изделий: кузова, крылья- крыши автомобилей, прицепы: кан¬ны, желоба, моЙКИ, бочки, цистерны, баки, бункеры, элементы ненесущих строитель¬ных конструкций в виде стеновых панелей, дверей, оконных блоков и многое Другое.
Наиболее простым по аппарату рно-технол отческому оформлению способом по¬лучения полимерных композиционных материалов продолжает оставаться контакт¬ное формование, которое применяется дня изготовления крупногабаритных малона-гружениых деталей сложной конфигурации: коробчатых кожухов механизмов, баков, корпусов и других элементов лодок, катеров н пр. Контактное формование изделий в открытых формах осуществляют в основном двумя методами — ручной укладкой и напылением. Технология ручной укладки включает следующие основные операции:
— нанесение разделительных покрытий на формы;
— раскрой тканых или нетканых армирующих материалов;
— приготовление связующего;
— укладка армирующего материала на форму;
— нанесение на армирующий материал связующего и пропитка им арматуры;
— отверждение связующего при комнатной температуре или при нагревании ДО 70-95 "С;
— извлечение изделия из формы и его механическая обработка согласно требова¬ниям чертежа;
— контроль качества изделия.
Метод (формования напылением отличается от описанного тем, что волокнистая арматура (стекловолокно, базальтовое волокно, углеволокно) в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки — штаиельки — н доставляется в (форму одно¬временно со смесью соответствующей смолы и катализатора. Варьирование соотно¬шения смолы и наполнителя, вида армирующего материала и системы его укладки, типа смолы и ее наполнителей позволяет в широких пределах изменять свойства по¬лучаемых композиционных пластиков, поскольку структура и свойства композита, да и само изделие формообразуется в процессе его получения.
При конструировании деталей необходимо располагать данными о напряжениях, которые они будут испытывать в процессе хранения и эксплуатации, что позволяет определить необходимые прочностные характеристики применяемого материала.
Технологические особенности полимерных КОМПОЗИТОВ учитывают при конст¬руировании. Реальная минимальная толщина изделии: при формовании ручной укладкой слоен — 0,8 мм, при напылении — 1,5 мм. При наличии прямых внутрен¬них углом армирующий компонент стскловолокнистого композиционного материа¬ла (СВКМ) не будет прилегать к поверхности формы, прямые наружные углы арма¬тура не сможет охватить плотно (рис. 15.8). Минимальный радиус закругления внутренних углов 4.8-6,4 мм. При изменении толщины изделия следует прибавить вал убавить число споен материала. В целях ликвидации высоко напряженных зон необхо¬димо н:(бегать резких переходов толщины, изменять ее постепенно, укладывая стон ступенчато пли подобно кровельной черепице. Реальная максимальная толщина, в принципе, не ограничивается, но с учетом отверждения — б мм. В качестве основных элементов технологической оснастки при контактном формовании используют формы, модели и вставки (стержни). Их назначение аналогично традиционной оснастке, испо¬льзуемой в литейном производстве, но имеет ряд особенностей, зависящих от применя¬емых материалов. Модели и вставки изготавливают из дерева, гипса, комбинаций гипса С металлами И другими материалами. Для получения срорм часто используют стеклона-ПОЛпенные пластики. Рекомендуется следуюпдая последовательность операций:
— по указанным на чертеже размерам изготавливают модель из дерева, гипса, фа¬неры или другого материала; шероховатость ее поверхности должна быть такой же, как и ГОТОВОГО изделия:
— но модели методом выкладки или полива получают оболочку - форму, поверх¬ность которой в точности воспроизводит поверхность модели: сформированная по¬сле отверждения форма ил стскловолокнистого композита может быт ь упрочнена же¬стким материалом (металлом или деревом), чтобы не повредить ее при эксплуатации:
— форму отделяют от модели (при этом модель часто разрушают), осматривают ее поверхность и полируют для улучшения внешнего вида и облегчения извлечения формуемых изделий;
— па отполированную форму наносят несколько слоен пастоентразиого парафина (три нлн четыре). Каждый слой должен быть хорошо отполирован чистой салфеткой. После нанесения каждого слоя форма выдерживается до затвердевания парафина. Па стадии обкатки формы для облегчения съема готовых изделий периодически (после формования 1-4 деталей) на ее поверхность дополнительно напыляют поливинило¬вый спирт.
СВКМ
Рис. 15.8. Конструктивное оформление изделий из композиционных пластиков: а, 6- внут-
ри ie и наружные углы; в - изменение тол шины
Непосредственно перед формованием изделии на поверхность формы кистью либо распылением наносят наружный смоляной слой (гелысоат). Для ЭТОГО использу¬ют полиэфирную смолу, содержащую наполнители и пигменты, но без армирующих добавок. Эта композиция в процессе срормования переходит на формуемое изделие, образуя наружный слой. Обычно цвет гслькоата отличен от цвета композита, что обеспечивает визуадьнуюоценку полноты п равномерности нанесения покрытия.Та¬ким образом, «окрашивание» детали производится раньше, чем она будет изготовле¬на. Декоративная глянцевая поверхность практически не требует последующей от¬делки.
Следующей операцией является подготовка материала. Все типы армирующих Материалов — маты из рубленой стеклопряжн, ткани н тканый ровинг — поступают Б виде больших рулонов различной ширины. Лист нужной длины вырубается из ру¬лона и обрезается но шаблону. Затем тщательно смешивают заранее отмеренные ко¬личества смолы и отвердителя. Композицию можно наносить на подокно как вне фор¬мы, так и внутри нее. Возможно использование распылителя, который автоматически дозирует и смешивает компоненты. Для уплотнения материала и удаления пузырь¬ков воздуха применяют щетки, резиновые И зубчатые валики. Необходимое число слоев мага и (или) тканого ровинга набирается до достижения расчетной суммарной толщины. Слои мата и тканого ронинга следует чередовать для обеспечения хорошей иежслойной прочности сцепления, предотвращения появления воздушных включе¬ний. При использовании только матов содержание волокна должно быть 25-35 %. В стеклопластиках, полученных с применением матов и тканого ровинга, содержание стекловолокна находится в пределах 35-45 %, а при использовании только ткани — около 50%. Продолжительность отверждения смол и композитов зависит от темпера¬туры; при комнатной температуре — от 10-20 мни до 14 суток, при 65 "С — 5-30 мни. при 82 "С - 1,5-5 Мин.
При контактной формовке напылением измельченное волокно и смола одновремен¬но ВВОДЯТСЯ в Открытую форму. Ровинг волокна проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в (|юрму распылительной системой.
Обычно размер пгтанелек. на которые рубится ровинг, составляет 12-50 мм. Возможная схема напыления приведена на рис. 15.10. Одна распыл ютльная головка впрыскивает СМОЛу. ii|KMnapiiTf лыю смешанную с «твердигелем, или только отвсрдитсль. в то время как вторая головка полает сметь смолы с ускорителем отверждения. После введении в форму смолы с волокнистой армату ]юп обращавшийся слон прикатывают вручную ДЛЯ удаления воздуха,уплотнения н получения гладкой поверхности. Технология отвер¬ждения аналогична применяемся! при формовании ручной укладкой.
Пример современного оформления оборудования для напыления представлен на рис. 15.11.
При массовом производстве методами формования ручной укладкой и напылени¬ем таких изделии, кик корпуса лодок и катеров, раковины, ванны и пр., применяют |ю-боты (рис. 15.12). Преимущество автоматизированного устройства заключается ц возможности строгого выполнения технологических требовании и сведении функ¬ций оператора только к контролю за процессом, замене форм и обеспечению сырьем.
После отверждении композита производят обрезку и зачистку кромок. При пра¬вильном подборе отнердителя в конце стадии отверждения присутствует короткий отрезок времени, когда СЛОИСТЫЙ пластик становится твердым, нелнпким. кожепо¬добным. Именно в этот временной интервал можно ножевым устройством обрезать кромки по шаблону.
Преимуществами способов формования полимерных композиционных материа¬лов ручной укладкой п напылением являются: универсальность, возможность полу¬чения изделии сложной формы и большого размера, низкая стоимость оснастки, воз¬можность создавать слоистые конструкции, в том числе с закладными деталями, пригодность для опытного производства. Вместе с тем для них характерны большие затраты ручного труда, низкая производительность, зависимость качества изделий от квалификации формовщика, трудность обеспечения однородности материала н ста¬бильности его физико-Механических свойств. Контактной формовкой производят широкую номенклатуру изделий: кузова, крылья- крыши автомобилей, прицепы: кан¬ны, желоба, моЙКИ, бочки, цистерны, баки, бункеры, элементы ненесущих строитель¬ных конструкций в виде стеновых панелей, дверей, оконных блоков и многое Другое.
15.4. Пултрузия
15.4. Пултрузия
Этт- метод также известен под названием «протяжка». Суть cm состоит в следую¬щем. Пропитанный полимерным связующим наполнитель (жгут, холст, тканая лента) последовательно протягивается через продольное отжимающее избыток связующего устройство* поступает в машину предварительного формования, а затем в горячую профилирующую матрицу, где происходит отверждение связующего и фиксируется требуемая конфигурация изделия. Таким образом, конструкция матриц определяет сечение изделий, которые могут иметь различную форму, что является основным до¬стоинством метода.
Пултрузия позволяет использовать и «мокрую», и «сухую» технологии.
Особенность нултрузпонной переработки СОСТОИТ в том. что в полученных изде¬лиях весь наполнитель ориентирован только в одном направлении, совпадающем с пек тором нрогяжки. Следовательно, иосвойс i вам такие изделия СИЛЬНОанизотроп* ны. Их прочность В продольном направлении существенно выше, чем в поперечном. В то же нремя деформатнвность изделий в поперечном, но отношению к их геометри¬ческой ОСИ, направлении существенно выше, чем и продольном, Это качество может Ныть использовано как в технологических, так и в эксплуатационных целях. Примене¬ние волокнистых наполнителей (стекловолокна, углеполокна, органоволокна) в од¬ном технологическом процессе позволяет получать изделия с уникальными свойства-ИИ, согласованными С особенностями энергетического нагруження изделия в услови¬ях его практического использования.
Схема, представленная на рис. 15.6. иллюстрирует метод пултрузни. Со шпулир-иика 1 волокно (в том числе разного состава) поступает в пропиточную ванну 2 и за¬тем в формующую матрицу, где отжимается от избытка связующего, сжимается
а)
9 3
Риг. /5.5. Иултру.нюнный агрегат — д. сечения гиле.шй — б (пояснении н тексте)
н поперечном направлении н приобретает конфигурацию изделия. В камере термооб¬работки 4 ПРОИСХОДИТ окончательное отнерждение полимерно!) матрицы, Изделие остывает по заданному режиму и камере охлаждения 5 и затем поступает на резатель¬ное устройство 7. Движение изделия происходит с помощью тянущего (транспорти¬рующего) блока 6'.
В методе пултрузнн большой интерес нрелстанляет устройство мат|>ицы (рис. 15.7).
Она состоит из рас п редел 1ггсл ьнент плиты /. н расположенные по кон¬туру изделия фильеры которой по¬ступают пропитанные подокна 2. Здесь происходит предваритель¬ный отжим связующего. Далее во¬локна через губку охлаждаемой пли¬ты 3 попадают н горячую зону мат¬рицы 5. требуемая температура ы которой создастся внешними на-1-реватслями 8 и контролируется термопарой 6. Стальные колонны 9
обеспечивают жесткость конструк¬ции формующей матрицы, а тепло¬изоляционный слой 7 разделяет холодную и горячую зоны. В пред-
, ложен ной конструкции матрицы
Рис. 1>.7. Формч-ювин матрица ие.ттруанонного аг- , J ■ _ 1
рогата (пояснения н тексте) ИМ№ТСЯ "Р" * °6РВвШМЙ ,lOTOK0M
ориентированных пропитанных подокон на холодном участке тракта формообра¬зования.
Многое н свойствах изделия зависит от прав] гльности выбора матричной конструк¬ции и согласования се свойств со свойствами армирующего волокна. В оптимальном варианте по свойствам пултрузиоиные изделия превосходят детали, произведенные контактным формованием, они более монолитные, более кислого- и щелочестойкне. Строгий контроль натяжения волокна позволяет увеличить прочность даже при наибо¬лее опасном для ггултруэионноЙ технологии межслонпом сдвиге. Она на 30-35 % пре¬вышает аналогичный показатель материалов с войлочной структурой наполнителя, по¬лученных вакуумным формованием.
Рассмотренным методом получают многослойные трубы, оболочки диаметром до 2 Mi детали подвижного железнодорожного и автомобильного транспорта.
Пултрузия допускает полную автоматизацию процесса и обеспечивает его высо¬кую производительность.
Этт- метод также известен под названием «протяжка». Суть cm состоит в следую¬щем. Пропитанный полимерным связующим наполнитель (жгут, холст, тканая лента) последовательно протягивается через продольное отжимающее избыток связующего устройство* поступает в машину предварительного формования, а затем в горячую профилирующую матрицу, где происходит отверждение связующего и фиксируется требуемая конфигурация изделия. Таким образом, конструкция матриц определяет сечение изделий, которые могут иметь различную форму, что является основным до¬стоинством метода.
Пултрузия позволяет использовать и «мокрую», и «сухую» технологии.
Особенность нултрузпонной переработки СОСТОИТ в том. что в полученных изде¬лиях весь наполнитель ориентирован только в одном направлении, совпадающем с пек тором нрогяжки. Следовательно, иосвойс i вам такие изделия СИЛЬНОанизотроп* ны. Их прочность В продольном направлении существенно выше, чем в поперечном. В то же нремя деформатнвность изделий в поперечном, но отношению к их геометри¬ческой ОСИ, направлении существенно выше, чем и продольном, Это качество может Ныть использовано как в технологических, так и в эксплуатационных целях. Примене¬ние волокнистых наполнителей (стекловолокна, углеполокна, органоволокна) в од¬ном технологическом процессе позволяет получать изделия с уникальными свойства-ИИ, согласованными С особенностями энергетического нагруження изделия в услови¬ях его практического использования.
Схема, представленная на рис. 15.6. иллюстрирует метод пултрузни. Со шпулир-иика 1 волокно (в том числе разного состава) поступает в пропиточную ванну 2 и за¬тем в формующую матрицу, где отжимается от избытка связующего, сжимается
а)
9 3
Риг. /5.5. Иултру.нюнный агрегат — д. сечения гиле.шй — б (пояснении н тексте)
н поперечном направлении н приобретает конфигурацию изделия. В камере термооб¬работки 4 ПРОИСХОДИТ окончательное отнерждение полимерно!) матрицы, Изделие остывает по заданному режиму и камере охлаждения 5 и затем поступает на резатель¬ное устройство 7. Движение изделия происходит с помощью тянущего (транспорти¬рующего) блока 6'.
В методе пултрузнн большой интерес нрелстанляет устройство мат|>ицы (рис. 15.7).
Она состоит из рас п редел 1ггсл ьнент плиты /. н расположенные по кон¬туру изделия фильеры которой по¬ступают пропитанные подокна 2. Здесь происходит предваритель¬ный отжим связующего. Далее во¬локна через губку охлаждаемой пли¬ты 3 попадают н горячую зону мат¬рицы 5. требуемая температура ы которой создастся внешними на-1-реватслями 8 и контролируется термопарой 6. Стальные колонны 9
обеспечивают жесткость конструк¬ции формующей матрицы, а тепло¬изоляционный слой 7 разделяет холодную и горячую зоны. В пред-
, ложен ной конструкции матрицы
Рис. 1>.7. Формч-ювин матрица ие.ттруанонного аг- , J ■ _ 1
рогата (пояснения н тексте) ИМ№ТСЯ "Р" * °6РВвШМЙ ,lOTOK0M
ориентированных пропитанных подокон на холодном участке тракта формообра¬зования.
Многое н свойствах изделия зависит от прав] гльности выбора матричной конструк¬ции и согласования се свойств со свойствами армирующего волокна. В оптимальном варианте по свойствам пултрузиоиные изделия превосходят детали, произведенные контактным формованием, они более монолитные, более кислого- и щелочестойкне. Строгий контроль натяжения волокна позволяет увеличить прочность даже при наибо¬лее опасном для ггултруэионноЙ технологии межслонпом сдвиге. Она на 30-35 % пре¬вышает аналогичный показатель материалов с войлочной структурой наполнителя, по¬лученных вакуумным формованием.
Рассмотренным методом получают многослойные трубы, оболочки диаметром до 2 Mi детали подвижного железнодорожного и автомобильного транспорта.
Пултрузия допускает полную автоматизацию процесса и обеспечивает его высо¬кую производительность.
15.3. Намотка
15.3. Намотка
Метод намотки является одним из наиболее распространенных и получении изде¬лий из армированных материалов. Намоткой производят оболочки различного типа и назначения. Это прежде всего цилиндрические тонко- и толстостенные трубы, за¬крытые профили прямоугольного, треугольного, эллиптическою сечения, кониче¬ские оболочки. Намоткой получают изделии в пиле замкнутых емкостей (баллонов) дли хранения газообразных и жидких нещести под повышенным давлением объемом от 1-2 л до сотен кубометров. Производимые по этой технологии изделия диаметром до 20 м. длиной до 35 м и. соответственно, объемом в тысячи кубометров применяют¬ся в нефтегазовом комплексе, а также в судостроении и строите.тьегне.
Сущность метола намотки состоит в том. что непрерывный волокнистый полуфаб¬рикат наматывается па вращающуюся оправку (дорн). образуя слон и формируя таким образом требуемую толщину и структуру стенки. Конфигурация оправки (круг, треу¬гольник, прямоу|«1Льп нк. эллипс и т. д.) определяет форму изделия. Это могут-быть не ТОЛЬКО традиционные трубы, но и лопасти вертолетов, ветряных и водяных лопаст¬ных движителей, сложнопрофнльные фрагменты корпусных детален и пр.
Мокрый способ намотки совмещает в одном технологическом процессе пропитку наполнителя и формирование изделия. Поэтому способу (рис. 15.1) ровинг сматыва¬ется с бобин нлн катушек, собирается в жгут, который пропитывается, проходя через ванну с жидким связующим. Избыток последнего возвращается отжимными валика¬ми, Манна и бобины с волокном размещены на каретке, которая лишается возврат¬но-поступательно со скоростью V вдоль вращающейся с угловой скоростью w оправ¬ки. Соотношение значений V и oi определяет шаг намотки и ориентацию волокна на оправке. Усилие на прижимных тиках регулирует количестве» связующего, остающе¬гося на жгуте после пропитки, то есть соотношение «наполнитель полимер» в изде¬лии. Регулированием натяжения жгута создают требуемую нлегпнхть намотки. Необ¬ходимо учесть, что по мере возрастания толщины получаемого изделии должно кор¬ректироваться соотношение V: ео.
Перечисленное сниден'льпнуето многофакторшхти процесса намотки, в связи с чем
современные намоточные
; машины комплектуются IK1-
изделия «мок|хш» на-моткоя: ' - ровинг; 'J ванна со связую¬щим; 3 — отжимные валит: 4 - оправка: Л — изделие: 6 — на-нравля1ощая
Сухой способсостоит в намотке на оправку (дорн) волокнистого препрега. И прин¬ципе, от описанного выше мокрого способа намотки он отличается отсутствием опе¬рации и улла пропитки тем, что вместо роиинга используются бобины с препрегом, н наличием нагревательных устройств, расплавляющих связующее, нанесенное на волокнистый наполнитель перед его намоткой на оправку. Кроме того, нрн сухой на¬мотке требуется создание повышенных контактных давленnii формования.
11 ри мокром способе намотки используют низковяэкие связующие — ненасыщен¬ные полиэфиры (II11-1, ПП-2 и др.). нпзкомолекулярпые эпоксидные смолы (ЭЛ-22. ЭД-20. ЭД - разбавители), связующие на основе сложных виниловых эфиров.
При сухом способе благодаря использован ню растворителей номенклатура связу¬ющих существен но расширяется п включаетфенолоформальдегндные.эпоксидпофс-нольные, эпоксидные, полиамидные и другие полимерные вещества.
Метод раздельного формования представляет собой как бы технологически обрат¬ный процесс, при котором сначала формируется неплотная заготовка из волокнисто¬го материала, а уже затем она пропитывается связующим, поступающим в форму под давлением и движущимся от наружных слоев к внутренним, в золе которых создается разряжение (рис. 15.2). Использование замкнутой формы позволяет существенно улучшить условия труда, а также повысить качество наружной поверхности сфериче¬ских изделий.
Ио типу укладки армирующего волокнистого Материала на оправке различают не¬сколько видов намотки: прямую, спиральную, спирально-перекрестную, продоль¬но-кольцевую, спирально-кольцевую, продольно-петлевую и др. (рис. 15.3).
При н/«мюм намотке угол между осью вращения оправки (дорна, оболочки) и осью наполнителя (волокна, пучка, ленты и пр.) близок к 90'. Собственно, его отклонение от этой величины зависит только От ширины ленты (пучка) и шага намотки. Это наи¬более простой метод формования цилиндрических оболочек. При прямой намотке используют, как правило, иреирегп тканей или лент. Если необходимо получение из¬делий, длина которых существенно превышает ширину полотна (лепты), используют несколько одновременно работающих узлов раскладки.
Спираль»о-$интовая намотка состоит в том, что пучок или лепту волокнистого ма¬териала, пропитанного связующим, наматывают на поверхность оправки по винтовой линии (рис. 15.3, а). Возможны дна варианта укладки слоев наполнителя: первый -ОДНОСЛОЙНЫЙ, когда толщина формуемого слоя равна толщине одной ленты (пучка), подаваемой на оправку, причем пропитанный материал укладывается строго вплот¬ную один к другому. В этом случае шаг намотки S = fl/sinq>. где И — ширина ленты (пучка); ф — угол намотки.
Второй вариант — многослойный, когда за один проход раскладывающего устрой¬ства формируется многослойная структура наматываемой оболочки. Такой вариант возможен только с лентой, которая при намотке может укладываться внахлест, один виток на другой. Если нахлест характеризуется параметром Л*, то шаг намотки - 5 -= B/(J&inq>).
Спирально-винтовая намотка применяется для получения цилиндрических изде¬лий, в частности для упрочнения труб и цилиндрических участков сосудов и емко¬стей. Есть мнение, что этим методом можно упрочнять стволы стрелкового оружия, артиллерийские стволы и др.
При продольно-поперечной намотке ленточный наполнитель послойно выклады¬вается вдоль оси оправки и наматывается в перпендикулярном направлении. Углы намотки составляют соответственно 0-5 и 90-85 град. Выкладывание происходит ПО всей длине изделия. Этот метод применяют при намотке «сухим» способом, он мо¬жет использоваться как для цилиндрических, так и для конических оправок.
Спиралыю-перекрсстшш намотка (рис. 15.3. в) характеризуется тем, что ее шаг превышает, и иногда многократно, ширину ленты (пучка). При обратном ходе каретки образуется перекрестная намотка. При каждом прямом ходе каретка смешается на ширину ленты (пучка), что в конечном счете образует плотную намотку.
Этот метод считается наиболее универсальным, он используется для производст¬ва оболочек сложной формы с продольной образующей — цилиндров, конусов, сфер, балЛОНОВ с эллиптическими и сферическими днищами. Угол намотки может изменять¬ся и широком диапазоне (10-80 град), оптимальным считается значение q>- ± 5Л°ЛЛ'.
Иногда этот вид намотки называют геодезическим.
Спирально-винтовая намотка обеспечивает высокую прочность оболочек при внут¬реннем давлении.
Плоскостная (орбитальная, полюсная) намотка выполняется укладкой лент «пло¬скими» непрерывными витками, вытянутыми но всей длине изделия. При каждом продольном движении укладки на одну длину изделия оправка поворачивается на я Rad. Недостатки метода: ограниченность размеров получаемого изделия и слож¬ность контроля за натяжением армирующей ленты (пучка).
Совмещенная спирально-кольцевая намотка (рис. 15.3, д) заключается в однона¬правленной намотке спиральных и кольцевых слоев наполнителя, выполняемых с двух самостоятельных раскладывающих устройств. Благодари такой конструкции намотки можно варьировать соотношение натяжении, соотношение спиральных и кольцевых слоев, получать изделия с повышенной прочностью в продольном п по¬перечном направлениях. Метод позволяет полностью автоматизировать процесс на¬мотки оболочек и, следовательно, улучшить качество изделии и увеличить произво¬дительность.
Косослойная продольно-поперечная намотка позволяет увеличить сдвиговую проч¬ность оболочек в продольном направлении, по одновременно увеличивает и осевую дс-формативность и, как следствие, снижает значение модуля упругости. Метод использу¬ется для непрерывного производства напорных труб диаметром до 400 ММ с толщиной стенки до 10 мм.
Продольно-петлевой совмещенный с радиальным метод намотки также используется для производства труб по непрерывной технологии (рис. \5Л). Суть метода СОСТОИТ в следующем. На неподвижную оправку 1 попеременно-послойно с катушек.? и бЧкла-дывастся волокнистый наполнитель, пропитанный связующим. Катушка 3 устанавли¬вается в коромысле 2, вращающемся относительно геометрической оси оправки. Во¬локно 4, поступающее с этой катушки, наматывается радиальио. Катушка петлевой намотки 8 имеет три степени свободы. Во-первых, она вращается относительно пол-луна 9, ВО-ВТОрЫХ, вместе с ползуном перемещается возвратно-поступательно со ско¬ростью V„ вдоль оправки, и. в-третьих, поворачивается вместе с коромыслом 7 во¬круг оправки. Ход ползуна равен длине нетель, укладываемых вдоль поверхности оправки. Количество и соотношение слоев с радиальной и продольно-Петлевой укладкой определяет толщину стенки изделия 5, которое, пройдя камеру отвержде¬ния, непрерывно отводится от оправки со скоростью V,,,,,. Частота вращения коро¬мысла радиальной намотки 2 согласуется со значением Vllf0. Рассмотренный метод пригоден для «мокрого» способа намотки труб диаметром до 400 мм и толщиной стенки от 1 мм до 10 мм.
Планегпарио-ашратшя намотка используется для непрерывного производства труб гибридной конструкции из пропитанной ленты и по сухой технологии (рис. 15.5).
Катушки 5,6с нреирегом стекло- и углеленты вращаются вокруг неподвижной оправ¬ки /. Осевое перемещение формуемой трубы со скоростью Vm без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря исполь¬зованию продолынэгх лент из стеклоткани 2. поступающих на оправку через направ¬ляющие 3. С планшайбой 4. вращающейся с угловой скоростью <оп> производится спиральна» намоткаетекловолокн истой ленты 5. составляющей основные слои трубы. Значении Уоп и со,, согласованы. Особенностьк) этой установки является 1кпользова-вис токов высокой частоты (ТВЧ) лля отверждения связующего. Производителынкль установки — до 3 м/мин. Установки в зависимости от назначения и лиамет|>а труб вы¬пускаются стационарными и передвижными, смонтированными па тележках.
Технологический цикл формования изделий намоткой по периодическому способу включает нижеследующие операции:
а) подготовка оправки (нанесение па ее поверхность антиадгезнонных составов
или пленочных покрытий);
б) приготовление связующего (при мокрой намотке);
в) намотка и получение заготовок изделия;
г) термообработка изделий на оправке (отверждение);
д) охлаждение изделия на оправке по заданному режиму;
с) съем изделия с оправки.
При непрерывной намотке все перечисленные операции выполняются одновре¬менно, но на разных участках одной операционной линии.
При сухой технологии из этого перечня исключается пункт «6». Операция рас¬плавлении связующего перед намоткой выполняется совместное пунктом «в».
Метод намотки является одним из наиболее распространенных и получении изде¬лий из армированных материалов. Намоткой производят оболочки различного типа и назначения. Это прежде всего цилиндрические тонко- и толстостенные трубы, за¬крытые профили прямоугольного, треугольного, эллиптическою сечения, кониче¬ские оболочки. Намоткой получают изделии в пиле замкнутых емкостей (баллонов) дли хранения газообразных и жидких нещести под повышенным давлением объемом от 1-2 л до сотен кубометров. Производимые по этой технологии изделия диаметром до 20 м. длиной до 35 м и. соответственно, объемом в тысячи кубометров применяют¬ся в нефтегазовом комплексе, а также в судостроении и строите.тьегне.
Сущность метола намотки состоит в том. что непрерывный волокнистый полуфаб¬рикат наматывается па вращающуюся оправку (дорн). образуя слон и формируя таким образом требуемую толщину и структуру стенки. Конфигурация оправки (круг, треу¬гольник, прямоу|«1Льп нк. эллипс и т. д.) определяет форму изделия. Это могут-быть не ТОЛЬКО традиционные трубы, но и лопасти вертолетов, ветряных и водяных лопаст¬ных движителей, сложнопрофнльные фрагменты корпусных детален и пр.
Мокрый способ намотки совмещает в одном технологическом процессе пропитку наполнителя и формирование изделия. Поэтому способу (рис. 15.1) ровинг сматыва¬ется с бобин нлн катушек, собирается в жгут, который пропитывается, проходя через ванну с жидким связующим. Избыток последнего возвращается отжимными валика¬ми, Манна и бобины с волокном размещены на каретке, которая лишается возврат¬но-поступательно со скоростью V вдоль вращающейся с угловой скоростью w оправ¬ки. Соотношение значений V и oi определяет шаг намотки и ориентацию волокна на оправке. Усилие на прижимных тиках регулирует количестве» связующего, остающе¬гося на жгуте после пропитки, то есть соотношение «наполнитель полимер» в изде¬лии. Регулированием натяжения жгута создают требуемую нлегпнхть намотки. Необ¬ходимо учесть, что по мере возрастания толщины получаемого изделии должно кор¬ректироваться соотношение V: ео.
Перечисленное сниден'льпнуето многофакторшхти процесса намотки, в связи с чем
современные намоточные
; машины комплектуются IK1-
изделия «мок|хш» на-моткоя: ' - ровинг; 'J ванна со связую¬щим; 3 — отжимные валит: 4 - оправка: Л — изделие: 6 — на-нравля1ощая
Сухой способсостоит в намотке на оправку (дорн) волокнистого препрега. И прин¬ципе, от описанного выше мокрого способа намотки он отличается отсутствием опе¬рации и улла пропитки тем, что вместо роиинга используются бобины с препрегом, н наличием нагревательных устройств, расплавляющих связующее, нанесенное на волокнистый наполнитель перед его намоткой на оправку. Кроме того, нрн сухой на¬мотке требуется создание повышенных контактных давленnii формования.
11 ри мокром способе намотки используют низковяэкие связующие — ненасыщен¬ные полиэфиры (II11-1, ПП-2 и др.). нпзкомолекулярпые эпоксидные смолы (ЭЛ-22. ЭД-20. ЭД - разбавители), связующие на основе сложных виниловых эфиров.
При сухом способе благодаря использован ню растворителей номенклатура связу¬ющих существен но расширяется п включаетфенолоформальдегндные.эпоксидпофс-нольные, эпоксидные, полиамидные и другие полимерные вещества.
Метод раздельного формования представляет собой как бы технологически обрат¬ный процесс, при котором сначала формируется неплотная заготовка из волокнисто¬го материала, а уже затем она пропитывается связующим, поступающим в форму под давлением и движущимся от наружных слоев к внутренним, в золе которых создается разряжение (рис. 15.2). Использование замкнутой формы позволяет существенно улучшить условия труда, а также повысить качество наружной поверхности сфериче¬ских изделий.
Ио типу укладки армирующего волокнистого Материала на оправке различают не¬сколько видов намотки: прямую, спиральную, спирально-перекрестную, продоль¬но-кольцевую, спирально-кольцевую, продольно-петлевую и др. (рис. 15.3).
При н/«мюм намотке угол между осью вращения оправки (дорна, оболочки) и осью наполнителя (волокна, пучка, ленты и пр.) близок к 90'. Собственно, его отклонение от этой величины зависит только От ширины ленты (пучка) и шага намотки. Это наи¬более простой метод формования цилиндрических оболочек. При прямой намотке используют, как правило, иреирегп тканей или лент. Если необходимо получение из¬делий, длина которых существенно превышает ширину полотна (лепты), используют несколько одновременно работающих узлов раскладки.
Спираль»о-$интовая намотка состоит в том, что пучок или лепту волокнистого ма¬териала, пропитанного связующим, наматывают на поверхность оправки по винтовой линии (рис. 15.3, а). Возможны дна варианта укладки слоев наполнителя: первый -ОДНОСЛОЙНЫЙ, когда толщина формуемого слоя равна толщине одной ленты (пучка), подаваемой на оправку, причем пропитанный материал укладывается строго вплот¬ную один к другому. В этом случае шаг намотки S = fl/sinq>. где И — ширина ленты (пучка); ф — угол намотки.
Второй вариант — многослойный, когда за один проход раскладывающего устрой¬ства формируется многослойная структура наматываемой оболочки. Такой вариант возможен только с лентой, которая при намотке может укладываться внахлест, один виток на другой. Если нахлест характеризуется параметром Л*, то шаг намотки - 5 -= B/(J&inq>).
Спирально-винтовая намотка применяется для получения цилиндрических изде¬лий, в частности для упрочнения труб и цилиндрических участков сосудов и емко¬стей. Есть мнение, что этим методом можно упрочнять стволы стрелкового оружия, артиллерийские стволы и др.
При продольно-поперечной намотке ленточный наполнитель послойно выклады¬вается вдоль оси оправки и наматывается в перпендикулярном направлении. Углы намотки составляют соответственно 0-5 и 90-85 град. Выкладывание происходит ПО всей длине изделия. Этот метод применяют при намотке «сухим» способом, он мо¬жет использоваться как для цилиндрических, так и для конических оправок.
Спиралыю-перекрсстшш намотка (рис. 15.3. в) характеризуется тем, что ее шаг превышает, и иногда многократно, ширину ленты (пучка). При обратном ходе каретки образуется перекрестная намотка. При каждом прямом ходе каретка смешается на ширину ленты (пучка), что в конечном счете образует плотную намотку.
Этот метод считается наиболее универсальным, он используется для производст¬ва оболочек сложной формы с продольной образующей — цилиндров, конусов, сфер, балЛОНОВ с эллиптическими и сферическими днищами. Угол намотки может изменять¬ся и широком диапазоне (10-80 град), оптимальным считается значение q>- ± 5Л°ЛЛ'.
Иногда этот вид намотки называют геодезическим.
Спирально-винтовая намотка обеспечивает высокую прочность оболочек при внут¬реннем давлении.
Плоскостная (орбитальная, полюсная) намотка выполняется укладкой лент «пло¬скими» непрерывными витками, вытянутыми но всей длине изделия. При каждом продольном движении укладки на одну длину изделия оправка поворачивается на я Rad. Недостатки метода: ограниченность размеров получаемого изделия и слож¬ность контроля за натяжением армирующей ленты (пучка).
Совмещенная спирально-кольцевая намотка (рис. 15.3, д) заключается в однона¬правленной намотке спиральных и кольцевых слоев наполнителя, выполняемых с двух самостоятельных раскладывающих устройств. Благодари такой конструкции намотки можно варьировать соотношение натяжении, соотношение спиральных и кольцевых слоев, получать изделия с повышенной прочностью в продольном п по¬перечном направлениях. Метод позволяет полностью автоматизировать процесс на¬мотки оболочек и, следовательно, улучшить качество изделии и увеличить произво¬дительность.
Косослойная продольно-поперечная намотка позволяет увеличить сдвиговую проч¬ность оболочек в продольном направлении, по одновременно увеличивает и осевую дс-формативность и, как следствие, снижает значение модуля упругости. Метод использу¬ется для непрерывного производства напорных труб диаметром до 400 ММ с толщиной стенки до 10 мм.
Продольно-петлевой совмещенный с радиальным метод намотки также используется для производства труб по непрерывной технологии (рис. \5Л). Суть метода СОСТОИТ в следующем. На неподвижную оправку 1 попеременно-послойно с катушек.? и бЧкла-дывастся волокнистый наполнитель, пропитанный связующим. Катушка 3 устанавли¬вается в коромысле 2, вращающемся относительно геометрической оси оправки. Во¬локно 4, поступающее с этой катушки, наматывается радиальио. Катушка петлевой намотки 8 имеет три степени свободы. Во-первых, она вращается относительно пол-луна 9, ВО-ВТОрЫХ, вместе с ползуном перемещается возвратно-поступательно со ско¬ростью V„ вдоль оправки, и. в-третьих, поворачивается вместе с коромыслом 7 во¬круг оправки. Ход ползуна равен длине нетель, укладываемых вдоль поверхности оправки. Количество и соотношение слоев с радиальной и продольно-Петлевой укладкой определяет толщину стенки изделия 5, которое, пройдя камеру отвержде¬ния, непрерывно отводится от оправки со скоростью V,,,,,. Частота вращения коро¬мысла радиальной намотки 2 согласуется со значением Vllf0. Рассмотренный метод пригоден для «мокрого» способа намотки труб диаметром до 400 мм и толщиной стенки от 1 мм до 10 мм.
Планегпарио-ашратшя намотка используется для непрерывного производства труб гибридной конструкции из пропитанной ленты и по сухой технологии (рис. 15.5).
Катушки 5,6с нреирегом стекло- и углеленты вращаются вокруг неподвижной оправ¬ки /. Осевое перемещение формуемой трубы со скоростью Vm без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря исполь¬зованию продолынэгх лент из стеклоткани 2. поступающих на оправку через направ¬ляющие 3. С планшайбой 4. вращающейся с угловой скоростью <оп> производится спиральна» намоткаетекловолокн истой ленты 5. составляющей основные слои трубы. Значении Уоп и со,, согласованы. Особенностьк) этой установки является 1кпользова-вис токов высокой частоты (ТВЧ) лля отверждения связующего. Производителынкль установки — до 3 м/мин. Установки в зависимости от назначения и лиамет|>а труб вы¬пускаются стационарными и передвижными, смонтированными па тележках.
Технологический цикл формования изделий намоткой по периодическому способу включает нижеследующие операции:
а) подготовка оправки (нанесение па ее поверхность антиадгезнонных составов
или пленочных покрытий);
б) приготовление связующего (при мокрой намотке);
в) намотка и получение заготовок изделия;
г) термообработка изделий на оправке (отверждение);
д) охлаждение изделия на оправке по заданному режиму;
с) съем изделия с оправки.
При непрерывной намотке все перечисленные операции выполняются одновре¬менно, но на разных участках одной операционной линии.
При сухой технологии из этого перечня исключается пункт «6». Операция рас¬плавлении связующего перед намоткой выполняется совместное пунктом «в».
15.2. Методы производства изделий* из армированных полимерных материалов
15.2. Методы производства изделий* из армированных полимерных материалов
Технологическое и аппаратурное оформление изготовления деталей из АМП о пре¬дел яечч'я особенностями используемых материалов,формой, размерами н назначением изделии.
УСЛОВНО все используемые методы могут быть разделены на две группы — откры¬тые и закрытые. Открытыми методами получают изделия, одна из поверхностей кото¬рых (и)юрмлястся жесткой поверхностью формы, вторая — может оставаться либо со¬вершенно свободной, либо формуется при весьма небольших давлениях (в пределах 0,l-0,G МПа). Из открытых методов наиболее распространены намотка, контактное формование (укладка), центробежное формование, формование с помощью эластич¬ной диафрагмы И ряд других.
Закрытые методы предполагают формование, при котором все поверхности изде¬лия контактируют с жесткими или эластичными поверхностями формы. Катим мето¬дам принадлежат нултрузия погонажных изделий, прессование штучных изделии, в том числе эластичным пуансоном, пропитка иод давлением и др.
Изделия, полученные открытым методом, имеют гладкую поверхность, соответст¬вующую поверхности формы, только с одной стороны, то есть со стороны матрицы, ппрлвкп п пр. При использовании закрытого метода поверхность изделий обычно не требует механической обработки пли операций тина шпаклевки, выравнивании, шли¬фования И т. п.
• Описание методов ппонзаодгтна шимми м t АПМ приводится но данным нсточ пикон, уилшни* ■ конце главы. - П{/ич.ред.
Изделия обеих групп получают по мокрой и сухой технологиям. В первом слу¬чае наполнитель пропитывается связующим непосредственно перед нанесением на поверхность формы, во втором — наполнитель пропитывается раствором связую¬щего и сушится, превращаясь в полуфабрикат, называемый пренрегом.
Мокрый метод позволяет получать изделия более монолитные и высокопрочные, однако для пего характерны: невозможность применения растворителей и, следовате¬льно, технолог^еские сложности реализации требуемой вязкости связующего; необ¬ходимость длительной жизнеспособности вязкотекучего связующего (но крайней мере, в течение цикла формования); большие потери связующею вследствие его от¬жима при контакте с элементами намоточного узла, а также при ракельном выравни¬вании формуемого изделия.
Сухой метод позволяет разделить производство на две стадии: первая — приготовле¬ние полуфабриката (препрега), вторая — производство изделия. Использование прспрс-га (заготовки), который может храниться длительное время, иногда исчисляемое ме¬сяцами, позволяет более точно дозировать содержание связующего на наполнителе, упрощает как переход с ОДНОГО армирующего наполнителя на другой, так и, соответст¬венно, производство гибридных изделий типа угле-, стеклопластик, улучшает санитар¬ные условия операции формования, позволяет существенно повысить производитель¬ность груда. Недостатки сухого метода состоят в следующем: наличие остаточного рас¬творителя в связующем снижает свойства получаемого АПМ, формование происходит при температуре формы (оправки), которая выше температуры плавления связующего, то есть, как правило, более 100 'С; в получаемом материале возможно наличие пор и де¬фектов, вызванных неполной пропиткой наполнителя связующим (особенно тканей из волокон с развитой свободной поверхностью в условиях ИХ низкой смачиваемости).
Выбор метода производства изделий из АПМ является многофазным действием. В первом приближении можно использовать данные табл. 15.3.
При их применении необходимо дополнительно учитывать показатель, характе¬ризующий сложность конфигурации изделия, его габаритные размеры. По атому до¬полнительному показателю вне конкуренции метод контактного формования, Не¬смотря на самую низкую производительность, в настоящее время он является одним из основных. Важным фактором, влияющим на выбор метода формования, является также серийность производства. Чем она выше, тем более роботизированным должен быть технологический процесс получения изделий. С позиций прочности предпочти¬тельнее метод намотки.
Технологическое и аппаратурное оформление изготовления деталей из АМП о пре¬дел яечч'я особенностями используемых материалов,формой, размерами н назначением изделии.
УСЛОВНО все используемые методы могут быть разделены на две группы — откры¬тые и закрытые. Открытыми методами получают изделия, одна из поверхностей кото¬рых (и)юрмлястся жесткой поверхностью формы, вторая — может оставаться либо со¬вершенно свободной, либо формуется при весьма небольших давлениях (в пределах 0,l-0,G МПа). Из открытых методов наиболее распространены намотка, контактное формование (укладка), центробежное формование, формование с помощью эластич¬ной диафрагмы И ряд других.
Закрытые методы предполагают формование, при котором все поверхности изде¬лия контактируют с жесткими или эластичными поверхностями формы. Катим мето¬дам принадлежат нултрузия погонажных изделий, прессование штучных изделии, в том числе эластичным пуансоном, пропитка иод давлением и др.
Изделия, полученные открытым методом, имеют гладкую поверхность, соответст¬вующую поверхности формы, только с одной стороны, то есть со стороны матрицы, ппрлвкп п пр. При использовании закрытого метода поверхность изделий обычно не требует механической обработки пли операций тина шпаклевки, выравнивании, шли¬фования И т. п.
• Описание методов ппонзаодгтна шимми м t АПМ приводится но данным нсточ пикон, уилшни* ■ конце главы. - П{/ич.ред.
Изделия обеих групп получают по мокрой и сухой технологиям. В первом слу¬чае наполнитель пропитывается связующим непосредственно перед нанесением на поверхность формы, во втором — наполнитель пропитывается раствором связую¬щего и сушится, превращаясь в полуфабрикат, называемый пренрегом.
Мокрый метод позволяет получать изделия более монолитные и высокопрочные, однако для пего характерны: невозможность применения растворителей и, следовате¬льно, технолог^еские сложности реализации требуемой вязкости связующего; необ¬ходимость длительной жизнеспособности вязкотекучего связующего (но крайней мере, в течение цикла формования); большие потери связующею вследствие его от¬жима при контакте с элементами намоточного узла, а также при ракельном выравни¬вании формуемого изделия.
Сухой метод позволяет разделить производство на две стадии: первая — приготовле¬ние полуфабриката (препрега), вторая — производство изделия. Использование прспрс-га (заготовки), который может храниться длительное время, иногда исчисляемое ме¬сяцами, позволяет более точно дозировать содержание связующего на наполнителе, упрощает как переход с ОДНОГО армирующего наполнителя на другой, так и, соответст¬венно, производство гибридных изделий типа угле-, стеклопластик, улучшает санитар¬ные условия операции формования, позволяет существенно повысить производитель¬ность груда. Недостатки сухого метода состоят в следующем: наличие остаточного рас¬творителя в связующем снижает свойства получаемого АПМ, формование происходит при температуре формы (оправки), которая выше температуры плавления связующего, то есть, как правило, более 100 'С; в получаемом материале возможно наличие пор и де¬фектов, вызванных неполной пропиткой наполнителя связующим (особенно тканей из волокон с развитой свободной поверхностью в условиях ИХ низкой смачиваемости).
Выбор метода производства изделий из АПМ является многофазным действием. В первом приближении можно использовать данные табл. 15.3.
При их применении необходимо дополнительно учитывать показатель, характе¬ризующий сложность конфигурации изделия, его габаритные размеры. По атому до¬полнительному показателю вне конкуренции метод контактного формования, Не¬смотря на самую низкую производительность, в настоящее время он является одним из основных. Важным фактором, влияющим на выбор метода формования, является также серийность производства. Чем она выше, тем более роботизированным должен быть технологический процесс получения изделий. С позиций прочности предпочти¬тельнее метод намотки.
14.3. Штамповка
14.3. Штамповка
Для изготовления объемных изделий небольшой глубины, к которым предъявля¬ются жесткие требования по толщине и качеству поверхности, используют метод нггамповки (рис. 14.7). Заготовку (пленку, лист, пластину, блок) помешают в спецналь* ную форму, матрица и пуансон которой выполнены сопряженными. Форму уста¬навливают на пресс (гидравлический, пневматический, механический), с помощью которого и осункствляется процесс ||юрмовання.
Горячая штамповка прсд1юлдгаег использование предварительно нагретой заготов¬ки; в inn 1сj 1 мости от вида персрабат ывасмого материала процесс ({юрмоиання осуществ¬ляется либо за счет высоко;(.тасти ческой (аморфный полимер вблизи температуры стек¬лования), либо за счет' пластической (кристаллический полимер выше температуры плавления) деформации. Заготовки из терморсактннных материалов используют не-доотнержденнымп и нагревают до температуры размягчения, После завершения про¬цесса формования готовое изделие охлаждают в форме, снабженной системой охлаж¬дения. Необходимое давление составляет 10-70 МПа.
Холодная штамповка осуществляется благодари способности аморфных полиме¬ров к вынужденной эластичности, а кристаллических — к значительным деформаци¬ям ниже температуры плавления. Заготовка заданного объема, нагретая до сравни¬тельно низкой температуры {ниже температуры стеклования или ниже температуры плавления, в случае кристаллических полимеров), деформируется в замкнутой пресс-форме с высокой скоростью: удельные давления формования могут достигать 150-200 MII/M". Необходимость охлаждения изделия в Окорме из-за низкой темпера¬туры формования практически отпадает.
Метод штамповки отличается высокой производительностью, однако связан с ис¬пользованием дорогостоящей оснастки, поэтому его применение целесообразно толь¬ко при производстве крупносерийных изделий с переменной ТОЛЩИНОЙ стенки, повы¬шенной точностью размеров и рельефной поверхностью.
Лля изготовления плоских тонкостепных изделии и.ч лштоиых или пленочных материалов с одновременным осрормлением отверстий и вырубкой их из заготовки используют штамновку-нырубку. В этом случае формующая оснастка (игтамп) снаб¬жается режущими элементами. В зависимости от материала и конструкции изделии температура заготовки и скорость процесса могут мснят1»ся. Усилие вырубки состав¬ляет 15 кН на 1 см2 поперечного сечения вырубаемого контура изделия.
В отдельных случаях тонкостенные изделия штампуют с использованием элас¬тичной формы (рис. Н.Й).
14.4. Технологическая оценка процесса
Как упоминалось выше, 1нчн)1И1Ь1миопепч11и1ями,опгх;деля1оишм11д.1Н1ель1шсть цикла формования, являются время на1тхчшт,, заготовки п время охлаждения Для щ»двари-телыюй оценки этих параметров можно использовать следующие уравнения.
I Гагрев заготовки:
тн=—(Гф-Г0>. (МЛ)
я
Охлажде] i не иэдел ия:
Хохл =^-HU-? ^-). (14.2)
40« ГИзд-7о
гдеб — толщина заготовки; а — коэ<|и|шцпенттсмпсрагуропрош);июст11 полимерною ма¬териала; 7ф — температур;! листа термопласта, подготовленного к формованию; Тш — температура изделия при извлечении из формы; Г„ — температура окружающей среды. Вуравиеииях(14.1) и (14.2) приняты следующие допущения:
1) толщина заготовки 5 сохраняется в местах ее закрепления на форме и потому
определяет длительность цикла охлаждения изделия;
2) температура формы совпадает с температурой окружающей среды.
Значение температуры изделия Г11ь, выбирается с учетом температуры размягче-
ния термопласта.
Для изготовления объемных изделий небольшой глубины, к которым предъявля¬ются жесткие требования по толщине и качеству поверхности, используют метод нггамповки (рис. 14.7). Заготовку (пленку, лист, пластину, блок) помешают в спецналь* ную форму, матрица и пуансон которой выполнены сопряженными. Форму уста¬навливают на пресс (гидравлический, пневматический, механический), с помощью которого и осункствляется процесс ||юрмовання.
Горячая штамповка прсд1юлдгаег использование предварительно нагретой заготов¬ки; в inn 1сj 1 мости от вида персрабат ывасмого материала процесс ({юрмоиання осуществ¬ляется либо за счет высоко;(.тасти ческой (аморфный полимер вблизи температуры стек¬лования), либо за счет' пластической (кристаллический полимер выше температуры плавления) деформации. Заготовки из терморсактннных материалов используют не-доотнержденнымп и нагревают до температуры размягчения, После завершения про¬цесса формования готовое изделие охлаждают в форме, снабженной системой охлаж¬дения. Необходимое давление составляет 10-70 МПа.
Холодная штамповка осуществляется благодари способности аморфных полиме¬ров к вынужденной эластичности, а кристаллических — к значительным деформаци¬ям ниже температуры плавления. Заготовка заданного объема, нагретая до сравни¬тельно низкой температуры {ниже температуры стеклования или ниже температуры плавления, в случае кристаллических полимеров), деформируется в замкнутой пресс-форме с высокой скоростью: удельные давления формования могут достигать 150-200 MII/M". Необходимость охлаждения изделия в Окорме из-за низкой темпера¬туры формования практически отпадает.
Метод штамповки отличается высокой производительностью, однако связан с ис¬пользованием дорогостоящей оснастки, поэтому его применение целесообразно толь¬ко при производстве крупносерийных изделий с переменной ТОЛЩИНОЙ стенки, повы¬шенной точностью размеров и рельефной поверхностью.
Лля изготовления плоских тонкостепных изделии и.ч лштоиых или пленочных материалов с одновременным осрормлением отверстий и вырубкой их из заготовки используют штамновку-нырубку. В этом случае формующая оснастка (игтамп) снаб¬жается режущими элементами. В зависимости от материала и конструкции изделии температура заготовки и скорость процесса могут мснят1»ся. Усилие вырубки состав¬ляет 15 кН на 1 см2 поперечного сечения вырубаемого контура изделия.
В отдельных случаях тонкостенные изделия штампуют с использованием элас¬тичной формы (рис. Н.Й).
14.4. Технологическая оценка процесса
Как упоминалось выше, 1нчн)1И1Ь1миопепч11и1ями,опгх;деля1оишм11д.1Н1ель1шсть цикла формования, являются время на1тхчшт,, заготовки п время охлаждения Для щ»двари-телыюй оценки этих параметров можно использовать следующие уравнения.
I Гагрев заготовки:
тн=—(Гф-Г0>. (МЛ)
я
Охлажде] i не иэдел ия:
Хохл =^-HU-? ^-). (14.2)
40« ГИзд-7о
гдеб — толщина заготовки; а — коэ<|и|шцпенттсмпсрагуропрош);июст11 полимерною ма¬териала; 7ф — температур;! листа термопласта, подготовленного к формованию; Тш — температура изделия при извлечении из формы; Г„ — температура окружающей среды. Вуравиеииях(14.1) и (14.2) приняты следующие допущения:
1) толщина заготовки 5 сохраняется в местах ее закрепления на форме и потому
определяет длительность цикла охлаждения изделия;
2) температура формы совпадает с температурой окружающей среды.
Значение температуры изделия Г11ь, выбирается с учетом температуры размягче-
ния термопласта.
14.2. Вакуум- и пневмоформование
14.2. Вакуум- и пневмоформование
Метод формования изделий из листовых и пленочных материалов с использовани¬ем перепада давления воздуха с различных сторон заготовки получил в поедемте годы широкое распространение благодаря простоте оснастки, возможности изготовления крупногабаритных изделий и высокой производительности. В отличие от штамповки н колодного формования в Этом случае заготовку из перерабатываемого материала на¬гревают до температуры, соответствующей переходу в высокоэластическое состояние (для аморфных полимеров) или до температуры приближенной к плавлению крис¬таллической фазы (для кристаллизующихся полимеров). Под влиянием создаваемо¬го перепада давления воздуха в заготовке развиваются высокоэластические (обрати¬мые) деформации, которые приобретают стабильный характер в результате быстрого охлаждения соприкасающегося с холодной формой материала.
В зависимости от характера взаимодействия формуемого материала с формой разли¬чают свободное негативное и позитивное формование листовых заготовок (рис. 14.2).
Свободное формование осуществляется без соприкосновения формуемого ма¬териала заготовки с оформляющим инструментом. Его применение ограничено
Рис. U.2. Различные методы формования наделив из листов:// - рааогревэаготовки;^е,г— свободное, негативное, позитивное формование
а) 6) в) г)
изготовлением из прозрачных акрилатов крупногабаритных изделий опальной фор¬мы для обтекателей и световых фонарей с улучшенными оптическими характеристи¬ками. При использовании метода требуется высокая равномерность нагрева заготов¬ки с минимальной разнотолщинностью — в противном случае искажается форма изделия и его оптические характеристики. Кроме того, применение свободного фор¬мования ограничивает и глубину вытяжки.
Негативное формование (формование в матрице) позволяет получать изделия, у которых наружная поверхность соответствует геометрии внутренней поверхности матрицы. Нагретая заготовка вначале деформируется свободно, и ее толщина умень¬шается относительно равномерно, однако после соприкосновения с формой температура Заготовки в этой области резко понижается и дальнейшее деформирование идет нерав¬номерно — толщина стенок и днища оказывается различно)). Значительная разнотол-щинность — один из существенных недостатков негативного метода формования.
Позитивное формование осуществляется на пуансоне; форму внешней поверх¬ности пуансона повторяет внутренняя поверхность изделия. Нагретая заготовка первоначально соприкасается с верхней поверхностью пуансона; деформация этой зоны прекращается, поэтому образующееся днище имеет наибольшую толщину. Вытяжка остальной части заготовки происходит более равномерно, но, как и при не¬гативном формовании, получение изделия большой глубины и с острыми углами затруднительно.
В зависимости от то л шины формуемой заготовки, глубины вытяжки, требова¬ний к воспроизводимости рельефа поверхности при всех методах для создания пе¬репада давлений может использоваться либо вакуум (разрежение) в форме (давле¬ние на заготовку до 0.07-0,085 МПа). либо сжатый воздух (давление до 2,5 МПа). Учитывая широкий ассортимент получаемых методами вакуум- и пневмоформона-ппя изделий, которые могут различаться глубиной вытяжки, геометрией, допусти¬мой разнотолщинностью, сейчас разработано значительное число их разновидно¬стей как для негативного, так н для позитивного формования, Это формование с предварительной механической вытяжкой, когда перед созданием вакуума или по¬дачей давления разогретую заготовку предварительно вытягивают с помощью меха¬нического устройства (толкателя или пуансона); формование с предварительной пневматической вытяжкой, когда для тех же целей спадают в полости формы вакуум пли избыточное давление; формование с предварительной мсхапоппсвматическоЙ вытяжкой заготовки, сочетающей оба приема предварительной вытяжки заготовки. Последний метод позволяет получать изделия с большой' глубиной вытяжки и наи¬большей равномерностью толщины стенок.
Для получения изделий с поднутрениями используют негативное формование в разъемных матрицах, часто — с предварительной вытяжкой заготовки. Метод вакуум-формования также позволяет получать из листовых материалов изделия замкнутой* формы — в этом случае используют две разогретые л истовые заготовки, которые свари¬ваются по контуру изделия бортами формы, а внутренняя полость образуется за счет создания вакуума внутри замкнутой полости формы (рис, 14.3). Наконец, широкое рас¬пространение вакуум-формованне находит для упаковки отдельных изделий, которые помещаются между двумя слоями полимерной пленки и сами исполняют роль формы; для большей жесткости нижний слон материала часто дублируется на подложку.
Рис. W.3. Схема двух гнезд ного вакуум-формования: I 4: 5 - вакуум-камера
кленка гнезда 3:2 - пленка гнеш
Ддя переработки термопластов методами вакуум- и пневмоформования применя¬ются н.ткуум(рормовочныс машины, установки механопневмоформовання. машины хтя непрерывного производства мелкой тары из рулонных материалов (включая аг¬регаты для наполнения и укупорки (рис. 14.4)) и др. Значительная часть машин н установок имеют ручное управление; вместе с тем используются агрегаты как по¬луавтоматического тина, так и работающие по полностью автоматизированной схеме, а также устройства годроформованпн с эластичной мембраной (рис.14.5). Разно¬видностью позитивного метода является формование с помощью толкателя-пуансо¬на (pnc.14.tt). И ряде случаев конструкция агрегата предусматривает получение лис¬твой или пленочной заготовки. Поэтому технология изготовления изделий может меняться в широких пределах. Основные стадии процесса: раскрой и pa.tpf.iKa загото¬вок, их разогрев, (]юрмование изделий, механическая обработка, готовых изделий (вы¬рубка, сверление и др.), сборка, упаковка и транспортировка. В зависимости от (К'обен-шнтей конструкции изделия, оборудования, применяемых материалов часть этапов в конкретных процессах может отсутствовать.
2
I
Рис. 14.5. Схема гидроформонлпня с частичной мембраной: 7 - мембрана; 2 - заготовка; 3 -матрица; 4 — оформляющий выталкиватель
; \ШМШ/Л
Для резки листов на заготовки применяют гильотинные ножницы, раскаленную электриче¬ским током проволоку, ленточные п дисковые ПИЛЫ) а также разнообразные приспособления тина резаков. При механической резке режущий инструмент (пилы, диски, фрезы) необходимо интенсивно охлаждать, а образующиеся ОПИЛКИ (стружку) удалять с помощью отсосов для со¬хранении качественной поверхности листа.
Рис, 14.6. Схема позитивного формо¬вания толкателем-пуансо¬ном: I — заготовкцЗ— при¬жимная ]К1ма; 3 пуансон
Одна из важнейших и наиболее длительная стадия технологического процесса — разогрев за¬готовки. Температурное поле разогретой заготов¬ки должно быть максимально однородным как по ее поверхности, хаки потолпцше;8тозатруд1ш-ется низкой тепло- и температуропроводностью большинства полимеров. Имеете с тем излишне высокая температура поверхности заготовки ведет к термическому разложению полимера и ухуд¬шению era зкенлуатацнонных свойств. ВолыииистВО машин и установок для нненмо- и вакуум-(|юрмования оснашено тепло-радиационными инфракрасными нагревателями; температуру заготовки можно регули¬ровать изменением интенсивности нагрева по зонам и расстояния нагревателя от поверх¬ности листа. Кроме того, нагрев листовых заготовок (особенно большой толщины) можетосуществляться в нагревателях камерного типа или контактным способом с помо¬щью нагреваемых плит. I (аибольшее распространение получи.1! метод контроля темпера¬туры заготовки повремени нагрева. Оптимальное время подбирается нрн предваритель¬ной отработке режима. В целом с повышением ге.чшературы формования механические характеристики готового изделия снижаются, а усадка растет. Вместе с тем повышение температуры способствует более сильной ориентации; поэтому для получения равно¬прочных изделии температуру заготовки повышать все же целесообразно.
Процесс формования истекает с высокой скоростью, которая может регулирова¬ться изменением формующего перепала давления п временем его достижения. При получении сравнительно неглубоких изделий скорость достаточно высока, но должна снижаться С увеличением глубины вытяжки во избежание разрыва заготовки или об¬разования значительной рланотолншшюстн.
На качество изделий и производительность процесса существенно влияет темпе¬ратура формующего инструмента (матрицы, пуансона, прижимных рам), которая должна быть ниже температуры размягчения полимера Излишнее снижение темпе¬ратуры, однако, способствует росту дефектности (морщины, складки), брака (короб¬ление) и усадки; увеличивается доля неотрелаксиронашннх напряжений, которые всегда развиваются в изделии п процессе его формования. Поэтому температура формы не должна быть ниже 50-70 °С, а для ускорения процесса охлаждения и повы¬шения производительности целесообразно использовать дополнительное воздушное охлаждение или охлаждение с помощью искусственного водяного тумана.
На заключительном этапе отформованные заготовки подвергают механической обработке; вырубке из л иста отдельных изделий, зачистке, пробивке (или сверлению) отверстий и г. д. С этой целью используют механические и гидравлические прессы, ножницы, специальные штампы (катодные и горячие), ленточные или дисковые за-чнетнме станки.
Для формования изделий из листовых и пленочных термопластов характерно зна¬чительное количество отходов на различных стадиях процесса (до 30-35 %). Подав¬ляющее большинство их может быть успешно ИСПОЛЬЗОВШЮ ДЛЯ вторичной перера¬ботки при своевременном сборе, измельчении и правильном хранении (в условиях, исключающих загрязнение). Значительные размеры отходов при вырезке заготовок вынуждают предусматривать их предварительное измельчение на ленточных пилах или гильотинных ножницах с последующей грануляцией или дроблением на ротор¬ных измельчителях.
Метод формования изделий из листовых и пленочных материалов с использовани¬ем перепада давления воздуха с различных сторон заготовки получил в поедемте годы широкое распространение благодаря простоте оснастки, возможности изготовления крупногабаритных изделий и высокой производительности. В отличие от штамповки н колодного формования в Этом случае заготовку из перерабатываемого материала на¬гревают до температуры, соответствующей переходу в высокоэластическое состояние (для аморфных полимеров) или до температуры приближенной к плавлению крис¬таллической фазы (для кристаллизующихся полимеров). Под влиянием создаваемо¬го перепада давления воздуха в заготовке развиваются высокоэластические (обрати¬мые) деформации, которые приобретают стабильный характер в результате быстрого охлаждения соприкасающегося с холодной формой материала.
В зависимости от характера взаимодействия формуемого материала с формой разли¬чают свободное негативное и позитивное формование листовых заготовок (рис. 14.2).
Свободное формование осуществляется без соприкосновения формуемого ма¬териала заготовки с оформляющим инструментом. Его применение ограничено
Рис. U.2. Различные методы формования наделив из листов:// - рааогревэаготовки;^е,г— свободное, негативное, позитивное формование
а) 6) в) г)
изготовлением из прозрачных акрилатов крупногабаритных изделий опальной фор¬мы для обтекателей и световых фонарей с улучшенными оптическими характеристи¬ками. При использовании метода требуется высокая равномерность нагрева заготов¬ки с минимальной разнотолщинностью — в противном случае искажается форма изделия и его оптические характеристики. Кроме того, применение свободного фор¬мования ограничивает и глубину вытяжки.
Негативное формование (формование в матрице) позволяет получать изделия, у которых наружная поверхность соответствует геометрии внутренней поверхности матрицы. Нагретая заготовка вначале деформируется свободно, и ее толщина умень¬шается относительно равномерно, однако после соприкосновения с формой температура Заготовки в этой области резко понижается и дальнейшее деформирование идет нерав¬номерно — толщина стенок и днища оказывается различно)). Значительная разнотол-щинность — один из существенных недостатков негативного метода формования.
Позитивное формование осуществляется на пуансоне; форму внешней поверх¬ности пуансона повторяет внутренняя поверхность изделия. Нагретая заготовка первоначально соприкасается с верхней поверхностью пуансона; деформация этой зоны прекращается, поэтому образующееся днище имеет наибольшую толщину. Вытяжка остальной части заготовки происходит более равномерно, но, как и при не¬гативном формовании, получение изделия большой глубины и с острыми углами затруднительно.
В зависимости от то л шины формуемой заготовки, глубины вытяжки, требова¬ний к воспроизводимости рельефа поверхности при всех методах для создания пе¬репада давлений может использоваться либо вакуум (разрежение) в форме (давле¬ние на заготовку до 0.07-0,085 МПа). либо сжатый воздух (давление до 2,5 МПа). Учитывая широкий ассортимент получаемых методами вакуум- и пневмоформона-ппя изделий, которые могут различаться глубиной вытяжки, геометрией, допусти¬мой разнотолщинностью, сейчас разработано значительное число их разновидно¬стей как для негативного, так н для позитивного формования, Это формование с предварительной механической вытяжкой, когда перед созданием вакуума или по¬дачей давления разогретую заготовку предварительно вытягивают с помощью меха¬нического устройства (толкателя или пуансона); формование с предварительной пневматической вытяжкой, когда для тех же целей спадают в полости формы вакуум пли избыточное давление; формование с предварительной мсхапоппсвматическоЙ вытяжкой заготовки, сочетающей оба приема предварительной вытяжки заготовки. Последний метод позволяет получать изделия с большой' глубиной вытяжки и наи¬большей равномерностью толщины стенок.
Для получения изделий с поднутрениями используют негативное формование в разъемных матрицах, часто — с предварительной вытяжкой заготовки. Метод вакуум-формования также позволяет получать из листовых материалов изделия замкнутой* формы — в этом случае используют две разогретые л истовые заготовки, которые свари¬ваются по контуру изделия бортами формы, а внутренняя полость образуется за счет создания вакуума внутри замкнутой полости формы (рис, 14.3). Наконец, широкое рас¬пространение вакуум-формованне находит для упаковки отдельных изделий, которые помещаются между двумя слоями полимерной пленки и сами исполняют роль формы; для большей жесткости нижний слон материала часто дублируется на подложку.
Рис. W.3. Схема двух гнезд ного вакуум-формования: I 4: 5 - вакуум-камера
кленка гнезда 3:2 - пленка гнеш
Ддя переработки термопластов методами вакуум- и пневмоформования применя¬ются н.ткуум(рормовочныс машины, установки механопневмоформовання. машины хтя непрерывного производства мелкой тары из рулонных материалов (включая аг¬регаты для наполнения и укупорки (рис. 14.4)) и др. Значительная часть машин н установок имеют ручное управление; вместе с тем используются агрегаты как по¬луавтоматического тина, так и работающие по полностью автоматизированной схеме, а также устройства годроформованпн с эластичной мембраной (рис.14.5). Разно¬видностью позитивного метода является формование с помощью толкателя-пуансо¬на (pnc.14.tt). И ряде случаев конструкция агрегата предусматривает получение лис¬твой или пленочной заготовки. Поэтому технология изготовления изделий может меняться в широких пределах. Основные стадии процесса: раскрой и pa.tpf.iKa загото¬вок, их разогрев, (]юрмование изделий, механическая обработка, готовых изделий (вы¬рубка, сверление и др.), сборка, упаковка и транспортировка. В зависимости от (К'обен-шнтей конструкции изделия, оборудования, применяемых материалов часть этапов в конкретных процессах может отсутствовать.
2
I
Рис. 14.5. Схема гидроформонлпня с частичной мембраной: 7 - мембрана; 2 - заготовка; 3 -матрица; 4 — оформляющий выталкиватель
; \ШМШ/Л
Для резки листов на заготовки применяют гильотинные ножницы, раскаленную электриче¬ским током проволоку, ленточные п дисковые ПИЛЫ) а также разнообразные приспособления тина резаков. При механической резке режущий инструмент (пилы, диски, фрезы) необходимо интенсивно охлаждать, а образующиеся ОПИЛКИ (стружку) удалять с помощью отсосов для со¬хранении качественной поверхности листа.
Рис, 14.6. Схема позитивного формо¬вания толкателем-пуансо¬ном: I — заготовкцЗ— при¬жимная ]К1ма; 3 пуансон
Одна из важнейших и наиболее длительная стадия технологического процесса — разогрев за¬готовки. Температурное поле разогретой заготов¬ки должно быть максимально однородным как по ее поверхности, хаки потолпцше;8тозатруд1ш-ется низкой тепло- и температуропроводностью большинства полимеров. Имеете с тем излишне высокая температура поверхности заготовки ведет к термическому разложению полимера и ухуд¬шению era зкенлуатацнонных свойств. ВолыииистВО машин и установок для нненмо- и вакуум-(|юрмования оснашено тепло-радиационными инфракрасными нагревателями; температуру заготовки можно регули¬ровать изменением интенсивности нагрева по зонам и расстояния нагревателя от поверх¬ности листа. Кроме того, нагрев листовых заготовок (особенно большой толщины) можетосуществляться в нагревателях камерного типа или контактным способом с помо¬щью нагреваемых плит. I (аибольшее распространение получи.1! метод контроля темпера¬туры заготовки повремени нагрева. Оптимальное время подбирается нрн предваритель¬ной отработке режима. В целом с повышением ге.чшературы формования механические характеристики готового изделия снижаются, а усадка растет. Вместе с тем повышение температуры способствует более сильной ориентации; поэтому для получения равно¬прочных изделии температуру заготовки повышать все же целесообразно.
Процесс формования истекает с высокой скоростью, которая может регулирова¬ться изменением формующего перепала давления п временем его достижения. При получении сравнительно неглубоких изделий скорость достаточно высока, но должна снижаться С увеличением глубины вытяжки во избежание разрыва заготовки или об¬разования значительной рланотолншшюстн.
На качество изделий и производительность процесса существенно влияет темпе¬ратура формующего инструмента (матрицы, пуансона, прижимных рам), которая должна быть ниже температуры размягчения полимера Излишнее снижение темпе¬ратуры, однако, способствует росту дефектности (морщины, складки), брака (короб¬ление) и усадки; увеличивается доля неотрелаксиронашннх напряжений, которые всегда развиваются в изделии п процессе его формования. Поэтому температура формы не должна быть ниже 50-70 °С, а для ускорения процесса охлаждения и повы¬шения производительности целесообразно использовать дополнительное воздушное охлаждение или охлаждение с помощью искусственного водяного тумана.
На заключительном этапе отформованные заготовки подвергают механической обработке; вырубке из л иста отдельных изделий, зачистке, пробивке (или сверлению) отверстий и г. д. С этой целью используют механические и гидравлические прессы, ножницы, специальные штампы (катодные и горячие), ленточные или дисковые за-чнетнме станки.
Для формования изделий из листовых и пленочных термопластов характерно зна¬чительное количество отходов на различных стадиях процесса (до 30-35 %). Подав¬ляющее большинство их может быть успешно ИСПОЛЬЗОВШЮ ДЛЯ вторичной перера¬ботки при своевременном сборе, измельчении и правильном хранении (в условиях, исключающих загрязнение). Значительные размеры отходов при вырезке заготовок вынуждают предусматривать их предварительное измельчение на ленточных пилах или гильотинных ножницах с последующей грануляцией или дроблением на ротор¬ных измельчителях.
Глава 14. Производство изделий термоформованием
Глава 14. Производство изделий термоформованием
Основная особсшкк'ть этого способа переработки полимерных материалов в от¬личие от предыдущих заключается и том, что формопаш не из расплава, а из заготовок полимерного материала (листа, пленки), нагретых до паз-иягченного состояния. Известно несколько разновидностей термоформования: паку-таформовка. пневмоформовка. иневмовакуум-формование. вытяжка свободная кс пуансоном, штамповка и пр. Псе :>тн разновидности объединяются принципиаль¬ной общностью технологий, суть которых в следующем: полимерная заготовка нагре¬вается до размяпенин. приложенным усилием оформляется в изделие и затем охлаж¬дается при сохраняющемся усилии формования.
Термоформованнем перерабатываются большинство термопластов. Лучшие резуль¬таты получают на аморфных полимерах ПВХ, ПС, ПММ, ПК, перерабатывают этим методом н Кристаллизующиеся полимеры ПЭВП, ПЭНП, ПП. Практически не терм о-формуютсл такие кристаллические термопластики, как ПА и ПФЛ.
Ассортимент изделий, получаемых термоформованием, необычайно широк: от гарных емкостей объемом в доли кубических сантиметров до корпусных детален, площади которых исчисляются квадратными метрами,
Разновидностью термоформоваиия является метод получения бутылок раздувом нагретых заготовок, называемых нреформамн, в свою очередь получаемых литьем пол давлением.
К бесспорным достоинствам метода термоформоваиия относятся: простота тех¬нологии и машинного оформления, низкая энергоемкость, невысокая стоимость ис¬пользуемой оснастки, ВОЗМОЖНОСТЬ полной автоматизации процесса, универсаль¬ность но виду перерабатываемых пластмасс, с упрощенным переходом от одного полимерного материала к другому.
НЭак. M4J
14.1. Теория метода
Формирование изделий из листовых, пленочных нлн иных заготовок производит¬ся в условиях нагрева полимера выше температуры размягчения 7",,. В этом случае модуль упругости термопластов понижается рис. 14.1, а приблизительно на два десятич¬ных порядку, что резко уменьшает значение усилия, необходимого для осуществления процесса формовки. Температура (|юрмования изделия 7* существенно ниже темпе¬ратуры плавления полимера. Обе эти особенности и определяют главные техни¬ко-экономические достоинства метода.
Выбор значения Г* зависит от свойств перерабатываемого материала и наиболее наглядно иллюстрируется с помощью термомеханнчеекпх кривых (рис. 14.1. б). Из¬вестно, что аморфные полимеры при нагревании выше Тр размягчаются и переходят в высокоэластическое состояние, начинающееся с Т11У При дальнейшем нагревании до температуры начала плавления Г|Ш физическое состояние аморфного термоплас¬та остается неизменным, что выражается в виде так называемого «плато* на ТМК (рис. 14.1, б, кривая /). Следовательно, в интервале температур Ч~Ю-ТШ1 полимер при¬обретает качества, позволяющие легко его деформировать, придавая листовой, пле¬ночной или иной заготовке форму изделия.
Рис, 14.1. Влияние температуры на изменение свойств и состояние термопластов: и — модуль упругости Е\б — термомехапнческис кривые кристаллизующегося —2 н аморфно¬го — /термопластов;вит— условно-схематическое молскулярво-коиформацион-
нос состояние термопластов при температуре формовании Гф: а - неиагруженное; г — нагруженное усилием Р*
Физико-химическая особенность высокоэластичсского деформирования состоит втом. что оно происходит за счег вытягивания макромолекул, концы которых сохраняют неизменное положение. Весьма упрощенно это можно проиллюстрировать с помощью рисунка 14.1, в и г. В положении «в» полимер не нагружен и макромолекула занимает форму квазиклубка, как термодинамически наиболее выгодную. После приложения усилия формования Рф полимерный образец удлиняется па Д/ за счет вытягивания сегментов макромолекул в направлении вектора При этом положение концов мак¬ромолекул остается неизменным. Понятно, что чем плотнее и организованнее уклад¬ка макроцепей в исходной полимерной заготовке, тем сложнее осуществлять кон-форм а и по иные перестроения макромолекул и. соответственно, ее деформирование в размягченном состоянии. Поэтому температурный диапазон термоформования кристаллизующихся полимеров, во-первых, уже, чем у аморфных, и, во-вторых, сдвинут ближе к температуре плавления (рис. 14.1,6, кривая 2).
Новая надмолекулярная структура полимеров, подвергнутых термоформованию, является неравновесной. Это вызывает структурно-релаксационные процессы, темп которых зависит от температуры эксплуатации. Чем выше температура, тем быстрее «отдеформпрованпый из заготовки образец» будет стремиться вернуться к своей ис¬ходной геометрической форме.
Таким образом, изделия, полученные методом термодеформирования, могут экс¬плуатироваться лишь при температурах, категорически не превышающих 7'|Г
Основная особсшкк'ть этого способа переработки полимерных материалов в от¬личие от предыдущих заключается и том, что формопаш не из расплава, а из заготовок полимерного материала (листа, пленки), нагретых до паз-иягченного состояния. Известно несколько разновидностей термоформования: паку-таформовка. пневмоформовка. иневмовакуум-формование. вытяжка свободная кс пуансоном, штамповка и пр. Псе :>тн разновидности объединяются принципиаль¬ной общностью технологий, суть которых в следующем: полимерная заготовка нагре¬вается до размяпенин. приложенным усилием оформляется в изделие и затем охлаж¬дается при сохраняющемся усилии формования.
Термоформованнем перерабатываются большинство термопластов. Лучшие резуль¬таты получают на аморфных полимерах ПВХ, ПС, ПММ, ПК, перерабатывают этим методом н Кристаллизующиеся полимеры ПЭВП, ПЭНП, ПП. Практически не терм о-формуютсл такие кристаллические термопластики, как ПА и ПФЛ.
Ассортимент изделий, получаемых термоформованием, необычайно широк: от гарных емкостей объемом в доли кубических сантиметров до корпусных детален, площади которых исчисляются квадратными метрами,
Разновидностью термоформоваиия является метод получения бутылок раздувом нагретых заготовок, называемых нреформамн, в свою очередь получаемых литьем пол давлением.
К бесспорным достоинствам метода термоформоваиия относятся: простота тех¬нологии и машинного оформления, низкая энергоемкость, невысокая стоимость ис¬пользуемой оснастки, ВОЗМОЖНОСТЬ полной автоматизации процесса, универсаль¬ность но виду перерабатываемых пластмасс, с упрощенным переходом от одного полимерного материала к другому.
НЭак. M4J
14.1. Теория метода
Формирование изделий из листовых, пленочных нлн иных заготовок производит¬ся в условиях нагрева полимера выше температуры размягчения 7",,. В этом случае модуль упругости термопластов понижается рис. 14.1, а приблизительно на два десятич¬ных порядку, что резко уменьшает значение усилия, необходимого для осуществления процесса формовки. Температура (|юрмования изделия 7* существенно ниже темпе¬ратуры плавления полимера. Обе эти особенности и определяют главные техни¬ко-экономические достоинства метода.
Выбор значения Г* зависит от свойств перерабатываемого материала и наиболее наглядно иллюстрируется с помощью термомеханнчеекпх кривых (рис. 14.1. б). Из¬вестно, что аморфные полимеры при нагревании выше Тр размягчаются и переходят в высокоэластическое состояние, начинающееся с Т11У При дальнейшем нагревании до температуры начала плавления Г|Ш физическое состояние аморфного термоплас¬та остается неизменным, что выражается в виде так называемого «плато* на ТМК (рис. 14.1, б, кривая /). Следовательно, в интервале температур Ч~Ю-ТШ1 полимер при¬обретает качества, позволяющие легко его деформировать, придавая листовой, пле¬ночной или иной заготовке форму изделия.
Рис, 14.1. Влияние температуры на изменение свойств и состояние термопластов: и — модуль упругости Е\б — термомехапнческис кривые кристаллизующегося —2 н аморфно¬го — /термопластов;вит— условно-схематическое молскулярво-коиформацион-
нос состояние термопластов при температуре формовании Гф: а - неиагруженное; г — нагруженное усилием Р*
Физико-химическая особенность высокоэластичсского деформирования состоит втом. что оно происходит за счег вытягивания макромолекул, концы которых сохраняют неизменное положение. Весьма упрощенно это можно проиллюстрировать с помощью рисунка 14.1, в и г. В положении «в» полимер не нагружен и макромолекула занимает форму квазиклубка, как термодинамически наиболее выгодную. После приложения усилия формования Рф полимерный образец удлиняется па Д/ за счет вытягивания сегментов макромолекул в направлении вектора При этом положение концов мак¬ромолекул остается неизменным. Понятно, что чем плотнее и организованнее уклад¬ка макроцепей в исходной полимерной заготовке, тем сложнее осуществлять кон-форм а и по иные перестроения макромолекул и. соответственно, ее деформирование в размягченном состоянии. Поэтому температурный диапазон термоформования кристаллизующихся полимеров, во-первых, уже, чем у аморфных, и, во-вторых, сдвинут ближе к температуре плавления (рис. 14.1,6, кривая 2).
Новая надмолекулярная структура полимеров, подвергнутых термоформованию, является неравновесной. Это вызывает структурно-релаксационные процессы, темп которых зависит от температуры эксплуатации. Чем выше температура, тем быстрее «отдеформпрованпый из заготовки образец» будет стремиться вернуться к своей ис¬ходной геометрической форме.
Таким образом, изделия, полученные методом термодеформирования, могут экс¬плуатироваться лишь при температурах, категорически не превышающих 7'|Г
13.2. Центробежное формование
13.2. Центробежное формование
Центробежное формование (иногда центробежное лнтъе) — метод изготовления изделии в виде тел вращения — цилиндров (труб), втулок, подшипников скольжения и т. п. Этот метод, как правило, находит применение в тех случаях, когда размеры (га¬бариты или толщина) изделия не позволяют изготовить его другими методами.
Для получения изделий но такой технологии в нагретую форму, торцы которой за¬крыты фланцами, загружают порцию расплава термопласта или жидкой смолы с отвер-днтелем. Если термопласт загружают в форму в виде порошка нлн гранул, плавление полимера и его гомогенизация в обогреваемой форме существенно снижает производи¬тельность. Поэтому для ускорения процесса получения изделий нередко применяю г экструдер с копнльннком, откуда в форму подается необходимый объем расплава.
В отличие от ротационного формования процесс осуществляется при ВЫСОКИХ час¬тотах вращения нагреваемой формы (до 150 с"'), поэтому иод действием центробеж¬ных сил в материале развивается достаточно большое давление и усадка готового изде¬лия невелика. После охлаждения и остановки снимаются фланцы, изделие извлекают из формы. Обычно внутренний слой изделия имеет более рыхлую структуру и удаля¬ется механической обработкой для получения необходимого внутреннего диаметра. С учетом этого материал дотируют с запасом в 10-15 %.
Наибольшее распространение этот метод находит в получении толстостенных труб большого диаметра из полиамидов, полиэфиров и других термопластов с низкой ВЯЗКО¬СТЬЮ расплава; из-за склонности этих полимеров к окислению полость <|юрмы заполня¬ется инертным газом (С02, азот). При изготовлении изделии из полиамидов одни из вариантов технологии предусматривает загрузку в срорму расплава капролактама и ка¬тализатора анионной полимеризации, после чего нагретая форма приводится во враще¬ние. Из-за высокой скорости полимеризации длительность процесса практически не зависит от толщины стенок формуемого изделия.
Литература
Гуль В. Е-.ЛкутииМ. С. Ооюны переработки пластмасс. — М.: Химия. 1985. — 400с. Раздел 4Л Изделия из пластмасс: Справочное руководств!) по выбору, применению п переработке/
С. Г. Балянскпй, М. Л. Кацевман, К. В. Фашшгтсйн; При участии и под общ. ред. Д. Я. Малкнна
и МЛ. Кербера. - M.i Радиапласт. 1992. - 201 с.
Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов/С. В. Власов, Э. Л. Калв-
ничеа, Л. Б. Кандырнн и др. - М.: Химии, 1995. - 528 с. Раздел 20.3.
Центробежное формование (иногда центробежное лнтъе) — метод изготовления изделии в виде тел вращения — цилиндров (труб), втулок, подшипников скольжения и т. п. Этот метод, как правило, находит применение в тех случаях, когда размеры (га¬бариты или толщина) изделия не позволяют изготовить его другими методами.
Для получения изделий но такой технологии в нагретую форму, торцы которой за¬крыты фланцами, загружают порцию расплава термопласта или жидкой смолы с отвер-днтелем. Если термопласт загружают в форму в виде порошка нлн гранул, плавление полимера и его гомогенизация в обогреваемой форме существенно снижает производи¬тельность. Поэтому для ускорения процесса получения изделий нередко применяю г экструдер с копнльннком, откуда в форму подается необходимый объем расплава.
В отличие от ротационного формования процесс осуществляется при ВЫСОКИХ час¬тотах вращения нагреваемой формы (до 150 с"'), поэтому иод действием центробеж¬ных сил в материале развивается достаточно большое давление и усадка готового изде¬лия невелика. После охлаждения и остановки снимаются фланцы, изделие извлекают из формы. Обычно внутренний слой изделия имеет более рыхлую структуру и удаля¬ется механической обработкой для получения необходимого внутреннего диаметра. С учетом этого материал дотируют с запасом в 10-15 %.
Наибольшее распространение этот метод находит в получении толстостенных труб большого диаметра из полиамидов, полиэфиров и других термопластов с низкой ВЯЗКО¬СТЬЮ расплава; из-за склонности этих полимеров к окислению полость <|юрмы заполня¬ется инертным газом (С02, азот). При изготовлении изделии из полиамидов одни из вариантов технологии предусматривает загрузку в срорму расплава капролактама и ка¬тализатора анионной полимеризации, после чего нагретая форма приводится во враще¬ние. Из-за высокой скорости полимеризации длительность процесса практически не зависит от толщины стенок формуемого изделия.
Литература
Гуль В. Е-.ЛкутииМ. С. Ооюны переработки пластмасс. — М.: Химия. 1985. — 400с. Раздел 4Л Изделия из пластмасс: Справочное руководств!) по выбору, применению п переработке/
С. Г. Балянскпй, М. Л. Кацевман, К. В. Фашшгтсйн; При участии и под общ. ред. Д. Я. Малкнна
и МЛ. Кербера. - M.i Радиапласт. 1992. - 201 с.
Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов/С. В. Власов, Э. Л. Калв-
ничеа, Л. Б. Кандырнн и др. - М.: Химии, 1995. - 528 с. Раздел 20.3.
13.1. Ротационное формование
Этот метод переработки позволяет получать полые изделия разнообразных форм и размеров из термопластичных материалов, используемых и виде порошков или пап (ндастнзолен). Процесс ротационного (|юрмоваиия отличается простотой п включает три основных стадии (рис. 13.1). На первой из них I в холодную форму, представляю¬щую собой полую раковинообразную конструкцию, загружается определенное коли¬чество полимерного материала. Далее (стадия II) закрытую форму помещают в каме¬ру нагрева, где И происходит собственно процесс формования. При этом с помощью соответствующих устройств форма приводится во вращение относительно двух осей. При вращении с относительно невысокой частотой (от 0.4 до 2,0 с"1) расплавленный полимер раси|>едсляется но стенкам формы.
четверг, 24 декабря 2009 г.
Определение фенольных гидроксильных групп с гексанитратоцератом аммония [81]
Определение фенольных гидроксильных групп с гексанитратоцератом аммония [81]
Метод основан на реакции образования комплекса гидрок¬сильных групп с гексанитратоцератом аммония и фотометриче¬ском измерении его светопоглощения при 540 нм.
Чувствительность метода 0,5 мг в колориметрируемом объ¬еме раствора.
Аппаратура и реактивы
Мерные колбы вместимостью 100, 50 и 25 мл.
Пипетки градуированные вместимостью 5 и 10 мл с ценой деления 0,1 мл. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М или другой марки.
Гексанитратоцерат аммония, 10%-ный раствор в смеси 6 н. азотной кис¬лоты и диоксана (20 : 80), свежеприготовленный, отфильтрованный. Азотная кислота, р = 1,4 г/см3 и 6 н. растворы.
Диоксан очищенный: диоксан (хч) настаивают с гидроксидом калия (око¬ло 20 г на 500 мл) в течение суток, сливают со щелочи, перегоняют над гекса¬нитратоцератом аммония, собирая фракцию при температуре 99—101 °С, или кипятят с КОН в течение 1 ч, а затем отгоняют над 0,1—0,2 г реагента.
Стандартный раствор дифенилолпропана: 0,6714 г дифенилолпропана, пе¬реосажденного из ацетона, растворяют в 100 мл свежеперегнанного диоксана в мерной колбе на 100 мл. Полученный раствор содержит 1 мг ОН-групп в 1 мл.
Построение градуировочного графика. В мер¬ные колбы вместимостью 25 мл (или градуированные цилиндры вместимостью 25 мл с притертой пробкой) наливают пипеткой 0,5—1,0—1,5—2,0—2,5—3,0 мл стандартного раствора дифени¬лолпропана, добавляют по 1 мл растворителя для реагента, 5 мл 10%-ного раствора гексанитратоцерата аммония и доли¬вают до метки диоксаном, перемешивают; через 10 мин выли¬вают в кювету с толщиной слоя 50 мм и измеряют оптическую плотность относительно контрольного раствора при светофильт¬ре № 7 (540 нм) на фотоколориметре ФЭК-56М. Строят градуи¬ровочный график зависимости оптической плотности от содер¬жания гидроксильных групп (в мг).
Выполнение анализа. Навеску полимера, содержа¬щую 0,5—3 мг гидроксильных групп, взвешивают с погрешно¬стью не более 0,0002 г, помещают в стакан с притертой проб-
кой, заливают 15 мл диоксана и ставят на магнитную мешалку, не включая обогрев. Перемешивают до полного растворения, фильтруют в мерный цилиндр вместимостью 25 мл, смывая фильтр два раза по 2 мл диоксана. К фильтрату прибавляют 1 мл смеси 6 н. азотной кислоты и диоксана (20:80) и 5 мл 10%-ного раствора гексанитратоцерата аммония, перемешива¬ют до полной прозрачности и через 10 мин измеряют оптическую плотность в тех же кюветах, что при построении градуировоч¬ного графика.
Расчет. Содержание ОН-групп находят по графику и рас¬считывают (в %) по приведенной выше формуле.
Метод основан на реакции образования комплекса гидрок¬сильных групп с гексанитратоцератом аммония и фотометриче¬ском измерении его светопоглощения при 540 нм.
Чувствительность метода 0,5 мг в колориметрируемом объ¬еме раствора.
Аппаратура и реактивы
Мерные колбы вместимостью 100, 50 и 25 мл.
Пипетки градуированные вместимостью 5 и 10 мл с ценой деления 0,1 мл. Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М или другой марки.
Гексанитратоцерат аммония, 10%-ный раствор в смеси 6 н. азотной кис¬лоты и диоксана (20 : 80), свежеприготовленный, отфильтрованный. Азотная кислота, р = 1,4 г/см3 и 6 н. растворы.
Диоксан очищенный: диоксан (хч) настаивают с гидроксидом калия (око¬ло 20 г на 500 мл) в течение суток, сливают со щелочи, перегоняют над гекса¬нитратоцератом аммония, собирая фракцию при температуре 99—101 °С, или кипятят с КОН в течение 1 ч, а затем отгоняют над 0,1—0,2 г реагента.
Стандартный раствор дифенилолпропана: 0,6714 г дифенилолпропана, пе¬реосажденного из ацетона, растворяют в 100 мл свежеперегнанного диоксана в мерной колбе на 100 мл. Полученный раствор содержит 1 мг ОН-групп в 1 мл.
Построение градуировочного графика. В мер¬ные колбы вместимостью 25 мл (или градуированные цилиндры вместимостью 25 мл с притертой пробкой) наливают пипеткой 0,5—1,0—1,5—2,0—2,5—3,0 мл стандартного раствора дифени¬лолпропана, добавляют по 1 мл растворителя для реагента, 5 мл 10%-ного раствора гексанитратоцерата аммония и доли¬вают до метки диоксаном, перемешивают; через 10 мин выли¬вают в кювету с толщиной слоя 50 мм и измеряют оптическую плотность относительно контрольного раствора при светофильт¬ре № 7 (540 нм) на фотоколориметре ФЭК-56М. Строят градуи¬ровочный график зависимости оптической плотности от содер¬жания гидроксильных групп (в мг).
Выполнение анализа. Навеску полимера, содержа¬щую 0,5—3 мг гидроксильных групп, взвешивают с погрешно¬стью не более 0,0002 г, помещают в стакан с притертой проб-
кой, заливают 15 мл диоксана и ставят на магнитную мешалку, не включая обогрев. Перемешивают до полного растворения, фильтруют в мерный цилиндр вместимостью 25 мл, смывая фильтр два раза по 2 мл диоксана. К фильтрату прибавляют 1 мл смеси 6 н. азотной кислоты и диоксана (20:80) и 5 мл 10%-ного раствора гексанитратоцерата аммония, перемешива¬ют до полной прозрачности и через 10 мин измеряют оптическую плотность в тех же кюветах, что при построении градуировоч¬ного графика.
Расчет. Содержание ОН-групп находят по графику и рас¬считывают (в %) по приведенной выше формуле.
Определение спиртовых гидроксильных групп [80]
Определение спиртовых гидроксильных групп [80]
Метод основан на реакции образования окрашенного комп¬лекса с гексанитратцератом аммония и измерении его светопо-глощения при 460 нм.
Чувствительность метода 1 мг гидроксильных групп в коло-риметрируемом объеме раствора.
Аппаратура и реактивы
Спектрофотометр типа СФ-16 или фотоэлектроколориметр ФЭК-56М.
Стандартный раствор этиленгликоля: взвешивают в мерной колбе вмести¬мостью 25 мл 1—3 мл этиленгликоля, предварительно перегнанного при 190— 197 °С, и доливают до метки дистиллированной водой. Рассчитывают содержа¬ние гидроксильных групп в 1 мл раствора. Соответствующим разбавлением по¬лученного раствора готовят рабочий стандартный раствор, содержащий ОН-групп 2 мг на 1 мл раствора.
Гексанитратоцерат аммония, 20%-ный раствор в 1 н. азотной кислоте, от¬фильтрованный.
Азотная кислота, фиксанал.
Аминоуксусная кислота, хч.
Хлорид натрия, чда.
Хлористоводородная кислота, 0,1 н. фиксанал.
Буферный раствор, рН=1,1: в мерной колбе вместимостью 100 мл взвеши¬вают 0,7507 г аминоуксусной кислоты, 0,585 г хлорида натрия, доливают до метки дистиллированной водой, 5,7 мл полученного раствора переносят пипет¬кой в другую мерную колбу вместимостью 100 мл и доливают до метки 0,1 н. раствором хлористоводородной кислоты. Буферный раствор годен в течение года.
Построение градуировочного графика. В мер¬ные колбы вместимостью 25 мл помещают пипеткой 0—1—2— 3—4—5 мл стандартного раствора этиленгликоля с содержани¬ем ОН-групп 2 мг/мл, добавляют по 5 мл раствора гексанитра-тоцерата аммония, по 1 мл буферного раствора и доливают до метки дистиллированной водой. После перемешивания вылива¬ют раствор в кювету с толщиной слоя 1 см и измеряют опти¬ческую плотность относительно контрольного раствора при 460 нм на спектрофотометре (или в кюветах с толщиной слоя 5 см на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М при светофильтре № 5). Строят градуировочный график зависимости оптической плотности от содержания гидроксильных групп (в мг).
Выполнение анализа. Взвешивают 0,2—1,0 г поли¬мера с погрешностью не более 0,0002 г, растворяют в мерной колбе вместимостью 25 мл в 10—15 мл дистиллированной воды, прибавляют 5 мл раствора гексанитратоцерата аммония, 1 мл буферного раствора и доливают до метки дистиллированной во¬дой. Одновременно готовят контрольный опыт. Через 10 мин по¬сле перемешивания измеряют оптическую плотность раствора относительно контрольного в тех же условиях, что при построе¬нии градуировочного графика.
Расчет. Содержание ОН-групп (в мг) находят по градуи-ровочному графику и рассчитывают (в %) по формуле
с-ЮО с f°H"f = -7^тооо-=о,1 —
где с — содержание ОН-групп, найденное по графику, мг; m — навеска образ¬ца, г.
Метод основан на реакции образования окрашенного комп¬лекса с гексанитратцератом аммония и измерении его светопо-глощения при 460 нм.
Чувствительность метода 1 мг гидроксильных групп в коло-риметрируемом объеме раствора.
Аппаратура и реактивы
Спектрофотометр типа СФ-16 или фотоэлектроколориметр ФЭК-56М.
Стандартный раствор этиленгликоля: взвешивают в мерной колбе вмести¬мостью 25 мл 1—3 мл этиленгликоля, предварительно перегнанного при 190— 197 °С, и доливают до метки дистиллированной водой. Рассчитывают содержа¬ние гидроксильных групп в 1 мл раствора. Соответствующим разбавлением по¬лученного раствора готовят рабочий стандартный раствор, содержащий ОН-групп 2 мг на 1 мл раствора.
Гексанитратоцерат аммония, 20%-ный раствор в 1 н. азотной кислоте, от¬фильтрованный.
Азотная кислота, фиксанал.
Аминоуксусная кислота, хч.
Хлорид натрия, чда.
Хлористоводородная кислота, 0,1 н. фиксанал.
Буферный раствор, рН=1,1: в мерной колбе вместимостью 100 мл взвеши¬вают 0,7507 г аминоуксусной кислоты, 0,585 г хлорида натрия, доливают до метки дистиллированной водой, 5,7 мл полученного раствора переносят пипет¬кой в другую мерную колбу вместимостью 100 мл и доливают до метки 0,1 н. раствором хлористоводородной кислоты. Буферный раствор годен в течение года.
Построение градуировочного графика. В мер¬ные колбы вместимостью 25 мл помещают пипеткой 0—1—2— 3—4—5 мл стандартного раствора этиленгликоля с содержани¬ем ОН-групп 2 мг/мл, добавляют по 5 мл раствора гексанитра-тоцерата аммония, по 1 мл буферного раствора и доливают до метки дистиллированной водой. После перемешивания вылива¬ют раствор в кювету с толщиной слоя 1 см и измеряют опти¬ческую плотность относительно контрольного раствора при 460 нм на спектрофотометре (или в кюветах с толщиной слоя 5 см на фотоэлектроколориметре ФЭК-56М при светофильтре № 5). Строят градуировочный график зависимости оптической плотности от содержания гидроксильных групп (в мг).
Выполнение анализа. Взвешивают 0,2—1,0 г поли¬мера с погрешностью не более 0,0002 г, растворяют в мерной колбе вместимостью 25 мл в 10—15 мл дистиллированной воды, прибавляют 5 мл раствора гексанитратоцерата аммония, 1 мл буферного раствора и доливают до метки дистиллированной во¬дой. Одновременно готовят контрольный опыт. Через 10 мин по¬сле перемешивания измеряют оптическую плотность раствора относительно контрольного в тех же условиях, что при построе¬нии градуировочного графика.
Расчет. Содержание ОН-групп (в мг) находят по градуи-ровочному графику и рассчитывают (в %) по формуле
с-ЮО с f°H"f = -7^тооо-=о,1 —
где с — содержание ОН-групп, найденное по графику, мг; m — навеска образ¬ца, г.
Фотометрическое определение гидроксильных групп с дихлортриазиновым красителем [79]
Фотометрическое определение гидроксильных групп с дихлортриазиновым красителем [79]
Метод основан на взаимодействии гидроксильных групп по¬лимера с активным дихлортриазиновым красителем в щелочной среде и последующем измерении интенсивности поглощения из¬быточного количества красителя при 596 нм. Метод рекоменду¬ется для определения содержания ОН-групп в интервале 25— 60-10-6 экв/г и дает надежные результаты при использовании около 30% красителя.
Аппаратура и реактивы
Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М или другого типа.
рН-метр 340 или другого типа.
Фильтры со стеклянной пористой пластинкой.
Колба вместимостью 150 мл с обратным холодильником.
Краситель активный ярко-голубой, содержащий 42% основного вещества, общую концентрацию которого определяют стандартным ванадатометрическим методом по ГОСТ 16922—71.
В день анализа готовят 70—100 мл водного раствора красителя с содер¬жанием его 8 мг/мл с учетом содержания основного вещества и влажности, определенной обычной сушкой при 100 °С.
Растворитель, смешивающийся с водой, ч.
Хлорид натрия, насыщенный водный раствор.
Карбонат натрия, насыщенный водный раствор.
Построение градуировочного графика. В мер¬ных колбах вместимостью 0,5 л приготовляют 5—6 стандарт¬ных растворов с содержанием красителя от 4 до 32 мг путем разбавления исходного раствора красителя. Доводят растворы водой до метки, измеряют оптическую плотность растворов от¬носительно дистиллированной воды при 596 нм в кюветах с тол¬щиной слоя 50 мм.
Выполнение анализа. Взвешивают 0,2—0,3 г полиме¬ра с погрешностью не более 0,0002 г, помещают в колбу вме¬стимостью 150 мл, приливают 10 мл растворителя и нагрева¬ют на электроплитке до кипения и полного растворения пробы. Во избежание разложения пробу растворяют не более 12— 15 мин. К выпавшему после охлаждения осадку приливают 0,2— 0,3 мл насыщенного раствора хлорида натрия, 5 мл красителя, около 75 мл воды и перемешивают в течение 10 мин. В стакан с пробой опускают хлорсеребряный (каломельный) и стеклян¬ный электроды и, добавляя по каплям насыщенный раствор кар¬боната натрия, с помощью рН-метра доводят рН раствора до 10. Затем электроды вынимают, тщательно ополаскивают в стакан, после чего раствор вместе с осадком количественно переносят в колбу вместимостью 0,5 л и при перемешивании доводят объ¬ем дистиллированной водой до метки. Полученный раствор про¬пускают через фильтр, отбрасывая 100—150 мл фильтрата. Сле¬дующую порцию фильтрата разбавляют в 2 раза и фотометри-руют в тех же условиях, что и при построении градуировочного графика.
Расчет. Содержание концевых гидроксильных групп (в экв/г) рассчитывают по формуле
[°н 1 - mm
где т\ — масса первоначально взятого красителя, г; т2 — масса оставшегося в растворе красителя (с учетом разбавления), найденная по графику, г; 681 — мольная масса красителя; т — навеска образца, г.
Метод основан на взаимодействии гидроксильных групп по¬лимера с активным дихлортриазиновым красителем в щелочной среде и последующем измерении интенсивности поглощения из¬быточного количества красителя при 596 нм. Метод рекоменду¬ется для определения содержания ОН-групп в интервале 25— 60-10-6 экв/г и дает надежные результаты при использовании около 30% красителя.
Аппаратура и реактивы
Фотоэлектроколориметр ФЭК-56М или другого типа.
рН-метр 340 или другого типа.
Фильтры со стеклянной пористой пластинкой.
Колба вместимостью 150 мл с обратным холодильником.
Краситель активный ярко-голубой, содержащий 42% основного вещества, общую концентрацию которого определяют стандартным ванадатометрическим методом по ГОСТ 16922—71.
В день анализа готовят 70—100 мл водного раствора красителя с содер¬жанием его 8 мг/мл с учетом содержания основного вещества и влажности, определенной обычной сушкой при 100 °С.
Растворитель, смешивающийся с водой, ч.
Хлорид натрия, насыщенный водный раствор.
Карбонат натрия, насыщенный водный раствор.
Построение градуировочного графика. В мер¬ных колбах вместимостью 0,5 л приготовляют 5—6 стандарт¬ных растворов с содержанием красителя от 4 до 32 мг путем разбавления исходного раствора красителя. Доводят растворы водой до метки, измеряют оптическую плотность растворов от¬носительно дистиллированной воды при 596 нм в кюветах с тол¬щиной слоя 50 мм.
Выполнение анализа. Взвешивают 0,2—0,3 г полиме¬ра с погрешностью не более 0,0002 г, помещают в колбу вме¬стимостью 150 мл, приливают 10 мл растворителя и нагрева¬ют на электроплитке до кипения и полного растворения пробы. Во избежание разложения пробу растворяют не более 12— 15 мин. К выпавшему после охлаждения осадку приливают 0,2— 0,3 мл насыщенного раствора хлорида натрия, 5 мл красителя, около 75 мл воды и перемешивают в течение 10 мин. В стакан с пробой опускают хлорсеребряный (каломельный) и стеклян¬ный электроды и, добавляя по каплям насыщенный раствор кар¬боната натрия, с помощью рН-метра доводят рН раствора до 10. Затем электроды вынимают, тщательно ополаскивают в стакан, после чего раствор вместе с осадком количественно переносят в колбу вместимостью 0,5 л и при перемешивании доводят объ¬ем дистиллированной водой до метки. Полученный раствор про¬пускают через фильтр, отбрасывая 100—150 мл фильтрата. Сле¬дующую порцию фильтрата разбавляют в 2 раза и фотометри-руют в тех же условиях, что и при построении градуировочного графика.
Расчет. Содержание концевых гидроксильных групп (в экв/г) рассчитывают по формуле
[°н 1 - mm
где т\ — масса первоначально взятого красителя, г; т2 — масса оставшегося в растворе красителя (с учетом разбавления), найденная по графику, г; 681 — мольная масса красителя; т — навеска образца, г.
Определение концевых функциональных групп
Определение концевых функциональных групп
Концевые функциональные группы определяют в конденса¬ционных полимерах главным образом для расчета молекуляр¬ных масс полимеров.
Определение концевых функциональных групп, так же как и функциональных групп, находящихся в полимерной цепи, ос¬новано на их непосредственном количественном взаимодействии с подходящими реагентами без предварительного разрушения цепи.
Гидроксильные группы обычно определяют косвенными ме¬тодами, чаще всего с использованием реакции ацетилирования хлористым ацетилом или уксусным ангидридом.
Карбоксильные концевые группы, как и боковые, анализиру¬ют прямым титрованием щелочью с применением для опреде¬ления точки эквивалентности методов потенциометрии и коло¬риметрии.
Карбоксильные группы можно также определять путем пре¬вращения их в анилидные или по интенсивности поглощения в инфракрасной области твердых образцов полимеров.
Изоцианатные группы определяют колориметрическими ме¬тодами с использованием их цветной реакции с ионами N02~ и реакции образования окрашенного продукта с бесцветным про¬изводным, полученным из вторичного амина и малахитового зе¬леного.
Концевые функциональные группы определяют в конденса¬ционных полимерах главным образом для расчета молекуляр¬ных масс полимеров.
Определение концевых функциональных групп, так же как и функциональных групп, находящихся в полимерной цепи, ос¬новано на их непосредственном количественном взаимодействии с подходящими реагентами без предварительного разрушения цепи.
Гидроксильные группы обычно определяют косвенными ме¬тодами, чаще всего с использованием реакции ацетилирования хлористым ацетилом или уксусным ангидридом.
Карбоксильные концевые группы, как и боковые, анализиру¬ют прямым титрованием щелочью с применением для опреде¬ления точки эквивалентности методов потенциометрии и коло¬риметрии.
Карбоксильные группы можно также определять путем пре¬вращения их в анилидные или по интенсивности поглощения в инфракрасной области твердых образцов полимеров.
Изоцианатные группы определяют колориметрическими ме¬тодами с использованием их цветной реакции с ионами N02~ и реакции образования окрашенного продукта с бесцветным про¬изводным, полученным из вторичного амина и малахитового зе¬леного.
Определение сложноэфирных групп [51]
Определение сложноэфирных групп [51]
Сложноэфирные группы в полимерах R—СО—OR7 образо¬ваны одно- и многоатомными спиртами (гликоль, глицерин) с органическими, преимущественно алифатическими и аромати¬ческими, кислотами и их производными.
Наиболее распространенным и надежным способом опреде¬ления сложноэфирных групп является их гидролитическое раз¬ложение (омыление) на спирт и кислоту, происходящее под влиянием как ионов водорода, так и ионов гидроксила. Иссле¬дуемое вещество подвергают щелочному гидролизу, в результа¬те чего образуется спирт (гликоль) и соль соответствующей кис¬лоты.
Омыляющий агент КОН обычно растворяют в спирте, при¬рода которого оказывает решающее влияние на процесс омыле¬ния [48].
Скорость гидролиза эфирных групп может служить косвен¬ным показателем происхождения эфирной группы. Так, если в результате гидролиза эфирной группы в полимере образуется поликислота (карбоксильная группа связана непосредственно с углеродом макроцепи), то омыление таких групп очень за¬трудняется. Если же при гидролизе образуются ОН-группы, свя¬занные непосредственно с углеродом макроцепи, то омыление происходит легко.
Содержание сложноэфирных групп может быть рассчитано по числу омыления. Число омыления — это масса КОН (в мг), прореагировавшего со свободными кислотами и сложными эфи-рами, содержащимися в 1 г исследуемого вещества. Число омы¬ления равно сумме кислотного и эфирного чисел [последнее представляет собой массу КОН (в мг), необходимую для омы¬ления 1 г сложного эфира]. Для сложных эфиров, не содержа¬щих свободных карбоксильных групп, число омыления совпада¬ет с эфирным числом.
Аппаратура и реактивы Потенциометр любого типа.
Колбы с пришлифованными обратными холодильниками вместимостью 250 мл.
Пипетки вместимостью 25—50 мл. Гидроксид калия, 0,5 н. спиртовой раствор. Хлористоводородная кислота, 0,5 н. раствор. Растворители — этанол, спиртобензольный раствор.
Выполнение анализа. Измельченную навеску поли¬мера (0,5—2,0 г) взвешивают с погрешностью не более 0,0002 г, помещают в колбу, приливают 25—50 мл 0,5 н. спиртового рас¬твора гидроксида калия и соединяют колбу с обратным холо¬дильником, закрытым трубкой с натронной известью. Реакцион¬ную смесь кипятят 1—3 ч. Избыток КОН оттитровывают 0,5 н. НС1 в присутствии фенолфталеина (для темноокрашенных рас¬творов—на потенциометре). В таких же условиях проводят контрольный опыт.
Расчет. Число омыления х (в мг КОН/г) вычисляют по формуле
(1/1-У2)0,028.юоо лп у,-у2
* = т =28 т
где V\ и V2 — объемы точно 0,5 н. раствора хлористоводородной кислоты, по¬шедшего на титрование контрольного и рабочего растворов, мл; 0,028 — масса КОН, содержащаяся в 1 мл точно 0,5 н. раствора КОН, г; т — навеска образ¬ца, г.
Из числа омыления может быть рассчитан эквивалент омы¬ления (э. о)—число граммов вещества, взаимодействующее с 1 л 1 н. раствора КОН:
э. 0 = 56108/4. о
Сложноэфирные группы в полимерах R—СО—OR7 образо¬ваны одно- и многоатомными спиртами (гликоль, глицерин) с органическими, преимущественно алифатическими и аромати¬ческими, кислотами и их производными.
Наиболее распространенным и надежным способом опреде¬ления сложноэфирных групп является их гидролитическое раз¬ложение (омыление) на спирт и кислоту, происходящее под влиянием как ионов водорода, так и ионов гидроксила. Иссле¬дуемое вещество подвергают щелочному гидролизу, в результа¬те чего образуется спирт (гликоль) и соль соответствующей кис¬лоты.
Омыляющий агент КОН обычно растворяют в спирте, при¬рода которого оказывает решающее влияние на процесс омыле¬ния [48].
Скорость гидролиза эфирных групп может служить косвен¬ным показателем происхождения эфирной группы. Так, если в результате гидролиза эфирной группы в полимере образуется поликислота (карбоксильная группа связана непосредственно с углеродом макроцепи), то омыление таких групп очень за¬трудняется. Если же при гидролизе образуются ОН-группы, свя¬занные непосредственно с углеродом макроцепи, то омыление происходит легко.
Содержание сложноэфирных групп может быть рассчитано по числу омыления. Число омыления — это масса КОН (в мг), прореагировавшего со свободными кислотами и сложными эфи-рами, содержащимися в 1 г исследуемого вещества. Число омы¬ления равно сумме кислотного и эфирного чисел [последнее представляет собой массу КОН (в мг), необходимую для омы¬ления 1 г сложного эфира]. Для сложных эфиров, не содержа¬щих свободных карбоксильных групп, число омыления совпада¬ет с эфирным числом.
Аппаратура и реактивы Потенциометр любого типа.
Колбы с пришлифованными обратными холодильниками вместимостью 250 мл.
Пипетки вместимостью 25—50 мл. Гидроксид калия, 0,5 н. спиртовой раствор. Хлористоводородная кислота, 0,5 н. раствор. Растворители — этанол, спиртобензольный раствор.
Выполнение анализа. Измельченную навеску поли¬мера (0,5—2,0 г) взвешивают с погрешностью не более 0,0002 г, помещают в колбу, приливают 25—50 мл 0,5 н. спиртового рас¬твора гидроксида калия и соединяют колбу с обратным холо¬дильником, закрытым трубкой с натронной известью. Реакцион¬ную смесь кипятят 1—3 ч. Избыток КОН оттитровывают 0,5 н. НС1 в присутствии фенолфталеина (для темноокрашенных рас¬творов—на потенциометре). В таких же условиях проводят контрольный опыт.
Расчет. Число омыления х (в мг КОН/г) вычисляют по формуле
(1/1-У2)0,028.юоо лп у,-у2
* = т =28 т
где V\ и V2 — объемы точно 0,5 н. раствора хлористоводородной кислоты, по¬шедшего на титрование контрольного и рабочего растворов, мл; 0,028 — масса КОН, содержащаяся в 1 мл точно 0,5 н. раствора КОН, г; т — навеска образ¬ца, г.
Из числа омыления может быть рассчитан эквивалент омы¬ления (э. о)—число граммов вещества, взаимодействующее с 1 л 1 н. раствора КОН:
э. 0 = 56108/4. о
Подписаться на:
Сообщения (Atom)