Технология полимерных материалов (пластмасс)

Общие сведения о полимерных материалах
Полимерными материалами называют вещества природного или искусственного
происхождения, макромолекулы которых состоят из одинаковых многократно повторяющихся
групп атомов, называемых мономерными (элементарными) звеньями.
Число мономерных звеньев, входящих в состав макромолекулы, — от 100 до 1000. Величина молекулярной массы оказывает влияние на свойства полимеров. Так, с увеличением
молекулярной массы уменьшается растворимость полимера, повышается температура его
плавления, возрастают прочность и твердость. Кроме того, свойства полимеров зависят от химического состава мономеров, формы цепей молекул и их строения (структуры полимера).
Полимеры классифицируют по ряду признаков. По происхождению полимеры подразделяются на:
• природные, или натуральные (например, биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды);
• искусственные (получаемые химической переработкой природных полимеров, например
ацетилцеллюлоза);
• синтетические (получаемые путем синтеза низкомолекулярных веществ — мономеров).
В зависимости от строения макромолекул различают полимеры линейной, разветвленной и сетчатой структуры.
Макромолекулы полимеров линейной структуры представляют собой открытую линейную цепь (например, натуральный каучук) или вытянутые в линию последовательные циклы (например, целлюлоза). Полимеры такого вида имеют невысокую прочность, легко плавятся, растворяются в органических растворителях.
Макромолекулы полимеров разветвленной структуры имеют форму линейной цепи с
ответвлениями в виде коротких ветвей. Такие полимеры, как правило, менее эластичны, при
нагревании размягчаются, но трудно плавятся, в растворителях лишь набухают.
Макромолекулы полимеров сетчатой структуры — результат связывания (сшивания)
линейных и разветвленных цепей поперечными связями (мостиками). Эти полимеры чаще
всего имеют кристаллическое строение, при повышенной температуре не плавятся, не разлагаются, не растворяются ни в каких растворителях и лишь иногда способны набухать (резина,
поликонденсационные смолы).
По химическому составу макромолекул различают:
• гомополимеры — полимеры, образованные из одного мономера, например полиэтилен;
• сополимеры — полимеры, образованные из двух и более различных мономеров
(например, бутадиен-стирольный каучук);
• олигомеры — полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы. К олигомерам относятся многие синтетические, смолы — феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие, а также некоторые природные вещества, например антибиотики.
По химическому составу основной цепи полимеры делятся на:
• гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов;
• гетероцеппые, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов,
чаще всего С, N, P, Si.
Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные, которые содержат в основной цепи звенья только из атомов углерода.
В зависимости от фазового состояния полимеры могут находиться в кристаллическом,
жидком (аморфном) и жидкокристаллическом (аморфно-кристаллическом) фазовых состояниях, различающихся степенью упорядоченности частей макромолекул в структуре полимера.
По отношению к нагреву все полимеры подразделяют на две большие группы:
• термопластичные, которые могут размягчаться при нагревании и затвердевать при
охлаждении. Таким образом, их можно многократно нагревать до температуры плавления и
охлаждать. Это свойство термопластичных полимеров позволяет осуществлять их неоднократную переработку, в том числе используя брак и отходы. К термопластичным полимерам
относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид и др.;
• термореактивные (реактопласты), которые плавятся при нагревании лишь в процессе образования, а затем их молекулы связываются между собой и образуют пространственную
структуру, вследствие чего полимер затвердевает, необратимо теряя способность плавиться. К
термореактивным полимерам относятся некоторые фенолоформальдегидные и другие поликонденсационные полимеры.
По назначению полимерные материалы делятся на следующие группы:
• пластические массы (пластмассы, пластики) и композиты;
• эластомеры (каучуки и резины);
• химические волокна;
• лакокрасочные материалы, полимерные покрытия и пленки;
• клеи и герметики.
Полимерные материалы отличаются от традиционных материалов, издавна используемых человечеством, комплексом особых свойств, высокой экономичностью методов переработки в изделия, практически неограниченной сырьевой базой. Для полимерных материалов
характерны следующие положительные свойства:
• малая плотность и, как следствие, — высокий условный показатель прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к плотности), превышающий аналогичный показатель лучших сортов стали;
• устойчивость к воздействию агрессивных сред, атмосферному и радиационному;
• ярко выраженные радио- и электротехнические свойства, в том числе диэлектрические, малозависящие от температуры и частоты электрического поля;
• широкий регулируемый диапазон фрикционных свойств;
• специфические оптические свойства, способность пропускать лучи света в широком
диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовые (70 % для полиметилметакрилата против 1—3
% для силикатного стекла);
• возможность целенаправленного изменения физико-механических и химических
свойств полимеров, сочетания в одном материале противоположных качеств, например твердости и гибкости.
К недостаткам полимерных материалов относятся:
• низкая теплостойкость (как правило, она не превышает 120 ° С, за исключением фторопластов и кремнийорганических полимеров);
• недостаточные по сравнению с металлическими сплавами твердость и прочность;
• ползучесть, т.е. изменение формы и прочности под механическими воздействиями,
особенно при повышении температуры;
• большое тепловое расширение;
• низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла;
• склонность к старению, т.е. деструктивному разрушению с течением времени и
ухудшению показателей физико-механических свойств.
Тем не менее, использование современных полимеров позволяет снизить материалоемкость продукции за счет замены традиционных конструкционных материалов. Технически
возможное и экономически целесообразное применение полимеров вместо металлических
сплавов позволяет достичь значительной экономии капитальных затрат, так как для производства пластмасс требуются значительно меньшие капиталовложения, чем для производства эквивалентного объема металлов, особенно тяжелых цветных. Особенно эффективна
замена полимерами тяжелых цветных металлов, коррозионно-стойкой стали, ценных сортов
древесины.
В последнее время расширяется использование нефтехимического сырья для производства полимеров, синтезируются новые виды полимеров и сополимеров с улучшенными
свойствами, в том числе с применением радиационно-химической технологии, создаются
полимеры с уникальными свойствами, например для мембранной технологии.
Использование полимеров в качестве матрицы для композитов обеспечивает получение конструкционных материалов, превосходящих традиционные по своим прочностным,
физико-химическим свойствам. В процессы производства и переработки полимеров внедряются автоматизированные поточные линии, робототехнические комплексы и высокопроизводительные агрегаты, повышается качество выпускаемых изделий.
Основные методы производства синтетических полимеров
Все синтетические полимеры производят двумя способами: полимеризацией и поликонденсацией.
Полимеризация — процесс соединения многих молекул мономера в макромолекулу
полимера, имеющего тот же элементарный состав, что и исходный мономер. При реакциях
полимеризации происходит разрыв двойных связей мономеров с образованием мономерных
группировок, которые, соединяясь между собой, образуют молекулы полимера. Побочные
продукты при этой реакции не выделяются.
Поликонденсация — образование высокомолекулярного соединения в результате взаимодействия большого числа молекул двух или больше разных мономеров с одновременным
выделением побочных низкомолекулярных продуктов реакции (Н20, NH3, СO2 и др.). Образующиеся при поликонденсации полимеры имеют как линейную (полиамиды, полиэфиры,
поликарбонаты), так и пространственную структуру (аминокислоты, фенолоальдегидные
смолы).
Процесс полимеризации может быть цепным и ступенчатым.
В ходе цепной полимеризации под действием температуры, давления, катализаторов
сначала активируется одна молекула мономера, которая далее вступает во взаимодействие с
неактивированными молекулами и присоединяет их, сохраняя свою реакционную способность. По мере протекания процесса количество активных молекул возрастает. Цепной полимеризацией получают полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и другие материалы.
Ступенчатая полимеризация характеризуется образованием полимера по ступеням:
она происходит за счет перемещения в молекуле мономера атома водорода или других групп
атомов и сопровождается последовательным соединением мономеров в димеры, тримеры и
т.д., которые могут быть выделены на нужной стадии полимеризации. Образующиеся про-
межуточные продукты обладают высокой устойчивостью, что позволяет регулировать степень полимеризации, изменяя температуру процесса. Методом ступенчатой полимеризации
получают полиуретаны, полиэфирные смолы, полиформальдегид и др.
Кроме того, для получения полимеров требуемых свойств применяется также сополимеризация, т.е. совместная полимеризация двух и более различных мономеров (например,
бутадиен-стирольный каучук).
В условиях промышленного производства полимеризация может осуществляться следующими методами:
• полимеризация в массе (блочный метод);
• полимеризация в растворе;
• полимеризация в эмульсии (эмульсионная полимеризация);
• полимеризация в суспензии (суспензионная полимеризация).
При полимеризации в массе исходные мономеры находятся в основном в жидкой фазе
в неразбавленном состоянии. Для такой полимеризации характерна высокая вязкость реакционной среды при больших степенях превращения, из-за чего затрудняется тепло- и массообмен. Поэтому полимеризацию проводят обычно при энергичном перемешивании и заканчивают при неполном превращении мономера, остатки которого отгоняют под вакуумом.
Достоинствами этого метода являются высокая чистота получаемого полимера и малые затраты на производство из-за отсутствия растворителей, разбавителей, эмульгаторов и других
добавок, недостатком — сложность регулирования температурного режима. Методом полимеризации в массе получают, например, полиэтилен, полистирол (в том числе ударопрочный).
Полимеризация в растворе осуществляется с применением инертных растворителей, в
которых растворяется мономер, а затем — и образующийся полимер. Готовый продукт представляет собой раствор полимера, который применяют, например, в качестве лака или клея.
При необходимости полимер из раствора выделяют испарением растворителя. Если полимер
в растворителе не растворяется, а выпадает в осадок, то его отфильтровывают, промывают и
сушат. Получаемые по такой технологии полимеры отличаются однородностью состава (поливинилацетат, полибутилакрилат и др.).
Эмульсионная полимеризация происходит посредством смешивания мономера с инициатором (веществом, способствующим началу и протеканию полимеризации) и эмульгатором (веществом, обеспечивающим агрегатную устойчивость смеси) в воде. При этом частицы мономера находятся в смеси во взвешенном состоянии, так как он нерастворим или плохо
растворим в воде. При нагревании в исходной эмульсии идет реакция полимеризации и образуется полимер. Эмульсионный способ прост, дает полимер более однородного состава, чем
блочный. К преимуществам этого метода следует отнести возможности достижения высоких
скоростей полимеризации при низких температурах и получения продуктов высокой молекулярной массы. Недостатки связаны главным образом с необходимостью отмывания полимера от эмульгатора. Эмульсионная полимеризация является основным методом получения
каучуков, поли-винилхлорида, полиакрилатов и др.
Суспензионная полимеризация заключается в том, что мономер равномерно распределяется (диспергируется) в воде. Инициаторы полимеризации, применяемые при этом, растворяются в мономере, но нерастворимы в воде. Полимеризация происходит в каждой крупной капле мономера размером 0,05—0,3 см (в отличие от эмульсии, где размер капли составляет 10~4—10~3 см). Полимер образуется в виде твердых частиц (гранул), нерастворимых в
воде, и отделяется фильтрованием. Таким методом получают полимеры из плохо растворимых в воде мономеров, например эфиров акриловой кислоты, дивинилбензола и их смесей с
другими мономерами. Процесс осуществляется при интенсивном перемешивании, обеспечивающем требуемое диспергирование мономера в воде, определенный гранулометрический
состав и пористость полимерных зерен. Из полученной суспензии отгоняют остаточный мономер, полимер отделяют от воды, сушат, рассеивают (классифицируют) и расфасовывают в
соответствующую тару.
Процесс поликонденсации в условиях производства может осуществляться в расплаве,
растворе и при непосредственном поверхностном взаимодействии мономеров.
Для осуществления поликонденсации используется большое число реакций замещения (реже обмена) между функциональными группами исходных веществ (мономеров, олигомеров). Поликонденсация, в которой принимают участие только бифункциональные исходные молекулы, приводит к образованию линейных макромолекул. Поликонденсация, в
которой участвуют молекулы с числом функциональных групп три и более, приводит к образованию разветвленных или трехмерных (сетчатых) структур. При поликонденсации полимер образуется в результате как взаимодействия макромолекул с молекулами исходных соединений, так и реакций между уже образовавшимися макромолекулами, имеющими в наличии реакционноспособные функциональные группы.
Для поликонденсации характерно несовпадение мономерных звеньев продуктов поликонденсации и исходных соединений (мономеров). На всех стадиях роста макромолекул
промежуточные соединения вполне устойчивы и могут быть выделены в свободном виде. В
этом состоит отличие поликонденсации от цепной полимеризации и в некоторой степени —
ее сходство со ступенчатой полимеризацией.
Методом поликонденсации получают полиэфиры (например, полиэтилентерефталат),
полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиакрилаты, фенолоформальдегидные смолы и
др.
Основы технологии производства изделий из пластмасс
Пластические массы (пластмассы, пластики) — конструкционные материалы на
основе полимеров, способные приобретать требуемую форму при нагревании под давлением
и устойчиво сохранять ее после охлаждения.
По составу пластмассы бывают простые (ненаполненные) и сложные (наполненные).
Простые пластмассы состоят только из полимеров (иногда с добавкой пластификатора или красителя).
Сложные пластмассы содержат, кроме того, ряд других компонентов в зависимости
от требуемых свойств материала.
Основными компонентами сложных пластмасс являются связующие вещества, наполнители, пластификаторы, отверждающие вещества и катализаторы, стабилизаторы, красители, газообразователи.
Связующие вещества — это полимерная основа пластмасс (различные смолы, соединяющие в монолитный материал другие компоненты пластмассы). Они обусловливают основные свойства пластмасс.
Наполнители вводятся в состав пластмасс с целью направленного изменения их
свойств, а также снижения расхода связующего вещества и удешевления пластмассы. В качестве наполнителей применяются порошкообразные, волокнистые и другие вещества как
органического, так и неорганического происхождения.
Пластификаторы придают материалу повышенную пластичность, в результате чего
облегчается формование изделий, уменьшается их хрупкость, особенно при низких температурах, увеличиваются гибкость и эластичность. В качестве пластификаторов используются
вещества, химически инертные по отношению к другим компонентам смеси.
Отверждающие вещества и катализаторы вводятся в состав пластмасс для ускорения их перехода в твердое состояние.
Стабилизаторы замедляют процесс старения пластмасс, но не влияют на их первоначальные свойства.
Красители — вещества, которые придают пластмассе тот или иной цвет или оттенок,
улучшая ее внешний вид.
Газообразователи вводятся в состав пластмасс с целью образования в них пор, обеспечивающих уменьшение плотности и повышение теплоизолирующих свойств (например, в
производстве пенопластов, поропластов).
Классифицируют пластмассы по тем же признакам, что и полимерные материалы.
Главное преимущество использования пластмасс по сравнению с другими материалами — это простота переработки их в изделия.
Переработка пластмасс — комплекс процессов, обеспечивающий получение готовых изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными свойствами на специальном
оборудовании. Переработке пластмасс предшествуют проектирование рациональной конструкции изделия, выбор оптимального метода переработки и условий его осуществления,
разработка состава материала, наиболее пригодного для выбранного метода производства,
оборудования и последующих условий эксплуатации.
Технология переработки пластмасс включает следующие основные стадии:
а) приготовление материала на основе исходного полимера и подготовка его к формованию (например, таблетирование);
б) формование полученного материала и изготовление из него изделий или полуфабрикатов;
в) последующая обработка с целью улучшения свойств полимера или изделия (термическая обработка, механическая обработка, сварка и др.).
Способы формования изделий из пластмасс зависят от их отношения к нагреву, т.е. от
того, являются они термопластами или реактопластами. Рассмотрим более подробно те способы, которые наиболее часто применяются в промышленном производстве пластмасс.
Прямое (компрессионное) прессование (рис. 9.11) — самый распространенный способ
переработки пластмасс (преимущественно — термореактивных).
Рис 9.11 Схема прямого прессования изделий из пластмасс:
а — открытая пресс-форма; б — закрытая пресс-форма;
1 — пуансон; 2 — направляющие стержни; 3 — матрица;
4 — пресс-материал; 5 — готовое изделие
Прессование включает следующие операции: дозировку прессовочного материала, загрузку его в пресс-форму, закрытие пресс-формы, выдержку изделия в пресс-форме при повышенной температуре (130—190 °С) и под давлением (20—60 МПа) для осуществления реакции поликонденсации, разъем пресс-формы, извлечение изделия, очистку и подготовку
пресс-формы для следующей запрессовки, очистку изделия от заусенцев.
Увеличению производительности прессования способствуют предварительные нагрев
прессовочных материалов и их таблетирование.
Для переработки термопластичных материалов метод прессования используется значительно реже, так как в этом случае после каждой запрессовки прессуемое изделие нужно
охлаждать в пресс-форме до полного затвердевания, что резко снижает производительность
установки.
Прессованием получают также многие слоистые материалы, представляющие собой
ткань, бумагу или древесный шпон, пропитанные раствором фенолоальдегидной или карбамидной смолы и спрессованные в листы, трубки или другие профили. Смолу растворяют в
спирте или другом растворителе и полученным раствором пропитывают ткань, бумагу или
древесину, которые затем высушивают в сушильных камерах. Из высушенного материала
делают заготовки, складывают их в пачки и прессуют горячим способом в листы или профили. Одновременно с прессованием происходит отверждение смолы, которая прочно склеивает слои пропитанного материала. Таким способом получают текстолит (наполнитель - хлопчатобумажная ткань), стеклопластики (наполнитель — стеклянная ткань), гетинакс (наполнитель — бумага).
Для осуществления прямого прессования используют различные гидравлические и
механические прессы. Достоинства метода — простая конструкция пресс-форм и сравнительно малая стоимость оборудования. Прессованием можно получать изделия несложной
формы, разнообразных размеров и толщины.
К недостаткам прямого прессования относятся низкая производительность, трудность
достижения высокого уровня автоматизации (периодический процесс) и прессования изделий сложной конфигурации, с глубокими несквозными отверстиями.
Литьевое прессование применяется для переработки термореактивных и термопластичных материалов. От прямого прессования оно отличается тем, что загрузочная камера
(тигель) отделена от формующей полости пресс-формы, а перед заполнением формы прессматериалом формующая полость находится в замкнутом состоянии. Материал, загруженный
в камеру, прогревается до вязкотекучего состояния и с помощью пуансона продавливается
через каналы (литники) в формующую полость пресс-формы, где он дополнительно прогревается. Этим способом можно перерабатывать термореактивные (при 140—200 ° С) и термопластичные материалы (при 30—50 °С).
Основными преимуществами литьевого прессования по сравнению с прямым являются: возможность изготовления более сложных деталей; более короткий цикл прессования;
отсутствие больших внутренних напряжений в изделиях; большие точность размеров деталей и срок службы пресс-форм. В то же время пресс-формы этого типа сложнее и дороже,
чем пресс-формы для прямого прессования.
Литье под давлением (инжекционное прессование) (рис. 9.12) основано на том же
принципе, что и литьевое прессование. Разница состоит в том, что материал нагревается до
вязкотекучего состояния в нагревательном элементе и выдавливается (впрыскивается) плун-
жером через сопло в охлаждаемую пресс-форму.
а — открытая пресс-форма; б — закрытая пресс-форма;
1 — подвижная часть пресс-формы; 2— неподвижная часть
пресс-формы; 3 — нагревательный элемент; 4 — плунжер; 5 — сопло;
6 — загрузочное устройство; 7 — готовое изделие
Этим методом перерабатывают в основном термопластичные пластмассы (полиэтилен, полистирол, полиамиды). Литье под давлением высокопроизводительно, им можно получать изделия массой от долей граммов до десятков килограмм. Литье под давлением из
термореактивных материалов возможно, но для этого требуются специальные машины.
Литье под давлением имеет короткий цикл формования, что позволило полностью автоматизировать процесс. При этом методе не требуется таблетирования материала, до минимума сокращается механическая обработка готовых деталей. Современные конструкции литьевых машин позволяют получать изделия двух и более цветов, пористые с различной
плотностью по сечению, многослойные и др.
Недостатки литья под давлением — высокая стоимость формующего инструмента,
сравнительно низкая производительность при изготовлении армированных изделий и изделий сложной конфигурации.
Экструзия (шприцевание или выдавливание) — процесс получения профилированных
изделий большой длины (трубы, стержни, ленты, нити) непрерывным или периодическим
выдавливанием. Шприцевание выполняется на экструдерах, основной рабочей деталью которых является винт (червяк, шнек), или на гидравлических прессах, имеющих поршень
(плунжер), совершающий возвратно-поступательное движение. Методом экструзии можно
перерабатывать большинство термопластичных материалов.
В промышленности наиболее широкое применение получили одночервячные экструдеры (рис. 9.13).
Исходный материал из бункера 4 через загрузочную воронку 5 поступает в канал червяка 6. Червяк вращается внутри корпуса, снабженного закаленной гильзой 9 и обогреваемого наружными нагревателями 10 и 12. Продвигающийся вдоль канала червяка материал расплавляется и продавливается через решетку 16 в головку 14, где происходит формование изделия.
Обогрев экструдера осуществляется или паром через рубашку корпуса, или электричеством. При этом температура головки экструдера должна всегда быть выше температуры
корпуса.
После выхода из экструдера некоторые виды профилированных материалов подвергаются таким операциям, как охлаждение, вытяжка, намотка, обрезка. Для их осуществления
экструдеры дооборудуют соответствующими механизмами (тянущими, охлаждающими,
устройствами для намотки и обрезки). В отдельных случаях вытяжку совмещают с намоткой,
например, при производстве нитей или листового материала.
Методом выдавливания перерабатывается в полимерные пленки большинство синтетических полимеров, для чего используют экструдеры с кольцевой или плоскощелевой головкой. В первом случае расплав полимера экструдируется в виде рукава, который растягивается сжатым воздухом. Рукавный способ — наиболее производительный и экономичный
метод изготовления полимерных пленок.
Плоскощелевой способ позволяет формовать полимерные пленки, которые в некоторых случаях дополнительно подвергаются разглаживанию на гладильных валках. Он предпочтительнее в тех случаях, когда требуется получить равнотолщинную пленку с высоким
качеством поверхности.
1 — редуктор; 2 — эластичная муфта; 3 — упорный подшипник;
4— бункер; 5 — загрузочная воронка; 6 — червяк; 7 —термопара,
8 — обогреваемый корпус, 9 — закаленная гильза; 10 — ленточный
нагреватель; 11 — сетки; 12 — нагреватель присоединительного
фланца; 13 — незащищенная термопара; 14 — головка;
15 — присоединительный фланец; 16 — решетка; 17 — стойка;
18 — охлаждающая рубашка загрузочной зоны; 19 — электродвигатель
Экструзией можно получать объемные, многослойные и вспененные изделия с поверхностью, имитирующей различные декоративные материалы; непрерывные изделия —
пленки, профили самого разнообразного типа, листы, трубы и шланги, наносить покрытия из
пластмассы на проволоку. Масса погонного метра изделий, изготовленных методом экструзии, может составлять от нескольких граммов до 100 кг и более. Им получают пленки шириной до 25 м и трубы диаметром до 1,2 м. Производительность крупных экструдеров достигает 3—3,5 т/ч, степень автоматизации производства также достаточно высока.
Недостатки экструзии — сложность управления процессом и высокая стоимость оборудования.
Листовое формование предназначено для получения из листов термопластичных материалов изделий коробчатой формы или профилированных листов. Формование этим способом (рис. 9.14) осуществляется путем штампования, сжатым воздухом (пневмоформование), вакуумом (вакуум-формование). Формование из листов является единственным методом изготовления изделий с большой поверхностью и малой толщиной стенки.
Кроме термопластов, методом штамповки могут перерабатываться и слоистые термореактивные пластики, например, на основе фенолформальдегидных смол, модифицированных частично термопластичными полимерами. Таким способом, в частности, производятся
декоративные бумажно-слоистые пластики, в том числе и огнестойкие.
а — штампование: 1 — лист; 2 — пуансон; 3 — отверстия для выхода воздуха; 4 — прижимная рама, 5 — матрица;
б — формование с проскальзыванием листа в прижимной раме: 1 — лист; 2 — пуансон; 3 —
верхняя прижимная полурама; 4 — упор; 5 — нижняя прижимная рама;
в — формование сжатым воздухом: 1 — лист; 2 — прокладка; 3 — сжатый воздух; 4 — отверстия
для выхода воздуха; 5 — матрица;
г — вакуум-формование: 1 — лист; 2 — прижимная рама; 3 — вакуумный стол; 4 — вакуум; 5 —
вакуумные каналы
При вакуум-формовании в полости между листом и поверхностью формы создается
разрежение, а размягченный материал формуется в изделие с помощью наружного атмосферного давления. Методом вакуум-формования перерабатывают многие виды листовых
материалов: полистирол, виниловые полимеры, полиакрилаты, эфиры целлюлозы, поликарбонаты и др.
Выдувание можно считать разновидностью листового формования, его применяют для
формовки преимущественно полых изделий из термопластичных материалов. Заготовка
(нагретая трубка или два листа) помещается между двумя половинками разъемной металлической формы, имеющей отверстия (сопла) для подвода горячего воздуха, который нагнетается в трубку или между листами. Размягченная заготовка под давлением воздуха вытягивается и заполняет форму. Этим способом получают изделия из полиэтилена, полистирола, полиакрилатов и др.
Каландрование (обработка полимерных материалов на каландрах) по своей сути аналогично прокатке при обработке металлов давлением.
Каландр — устройство с 2-20 горизонтальными валами (обычно расположенными
один над другим), между которыми пропускают полимерный материал для повышения его
плотности и гладкости, нанесения рисунка или поверхностного узора, получения соответствующего профиля.
Каландрованием (рис. 9.15, а) получают полуфабрикаты в виде гладких или профилированных листов, лент, периодических профилей. На каландрах производится также обрезинива-ние тканей для приводных ремней и транспортерных лент.
а — схема каландрования при производстве обрезиненной ткани;
б — схема изготовления медицинских перчаток маканием;
1 — рулон ткани для обкладки; 2 — рулон прокладочной ткани;
3 — готовое изделие; 4 — модель; 5 — ванна с латексом
Прокатка наиболее широко применяется для производства слоистых композиционных
материалов на основе полимеров.
Полив раствора полимера на холодную или нагреваемую полированную поверхность
— один из первых промышленных методов получения полимерных пленок и листов. В
настоящее время он имеет ограниченное применение. Этим методом производятся главным
образом пленки на основе целлюлозы и ее производных, а также из некоторых термореактивных полимеров. Он состоит из приготовления раствора, полива его на гладкую полированную поверхность барабана или металлической бесконечной ленты и отделения растворителя от листа или пленки. Полученное изделие подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений.
Макание можно считать разновидностью предыдущего метода, когда тонкостенные
изделия, например медицинские перчатки, получают по заранее подготовленной модели
(рис. 9.15, б) многократным ее окунанием в ванну с латексом. Этот метод применяется также
для изготовления других резиновых санитарно-гигиенических изделий.
Латекс представляет собой водную дисперсию синтетических полимеров, главным
образом каучуков. Он образуется при полимеризации соответствующих мономеров в водной
среде или при эмульгировании в ней растворов полимеров в органических растворителях
(синтетические латексы последнего типа называются искусственными).
Механическая обработка пластмасс похожа на обработку металлов резанием, однако
вследствие меньшей твердости пластмасс по сравнению с металлами их обработку проводят
при большей скорости подачи соответствующих инструментов (резцы, сверла и т.д.). Из методов обработки резанием для обработки пластмасс используют точение, шлифование, полирование, фрезерование, сверление и т.д.
Механической обработке подвергают в основном термореактивные или блочные
пластмассы, такие как фторопласт. Ее используют при изготовлении мелкосерийной или
опытной продукции, а также для удаления заусенцев, литников с изделий, полученных,
например, прессованием и литьем. Поверхности прессованных и литьевых деталей после
снятия заусенцев, как правило, полируют.
Достаточно распространенной операцией является сверление отверстий, так как глубокие или боковые отверстия, а также отверстия малого диаметра трудно получить при прессовании.
Обрезке подвергают листовые материалы после их прессования (этим их обработка и
ограничивается). Для шлифования используют шлифовальные пасты, наносимые на фетровые или войлочные диски станков, шлифовальных шкурок и камней на обычных шлифовальных станках. Полирование проводят на хлопчатобумажных или суконных кругах с применением или без применения полировочных паст.
Сварка пластмасс — процесс неразъемного соединения термопластов и реактопластов, в результате которого исчезает граница раздела между соединяемыми деталями.
Выбор способа сварки зависит от материала, подлежащего сварке, типа конструкции
или изделия, их назначения и условий эксплуатации.
Сварку термопластов производят с использованием тепла посторонних источников
нагрева (газовых теплоносителей, нагретого присадочного материала или инструмента) либо
с генерированием тепла внутри пластмассы при преобразовании различных видов энергии
(сварка трением, токами высокой частоты, ультразвуком, инфракрасным излучением и др.).
Соединение реактопластов осуществляют способом, основанным на химическом взаимодействии между поверхностями — непосредственно или с участием присадочного материала (так называемая химическая сварка). Сварка этим способом требует интенсивного прогрева поверхностей и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера токами высокой
частоты или ультразвуком.
Среди различных способов сварки наибольшее распространение получили: сварка с
применением газовых теплоносителей; сварка при нагреве трением; сварка контактным
нагревом; сварка токами высокой частоты.
При сварке с применением газовых теплоносителей используются воздух или инертные газы, подогретые при прохождении через электронагревательные элементы. Теплоноситель прогревает термопласт в месте сварки до необходимой температуры вместе со сварочным прутком из того же материала, чем и обеспечивается сварка. Термопласты, чувствительные к кислороду воздуха (например, полиамиды), сваривают подогретым азотом. Этот
вид сварки применяется в основном при изготовлении изделий из толстых листов или для
сварки массивных деталей, отлитых методом литья под давлением.
Применяется два способа сварки при нагреве трением. Первый из них состоит в следующем: свариваемые детали (обычно небольшой длины) располагают на станке соосно, одну из них закрепляют неподвижно, а другую вращают вокруг общей оси, При трении сопряженных торцевых поверхностей выделяется тепло, достаточное для сварки давлением без
расплавления полимера. При достижении заданной температуры вращающаяся деталь мгновенно останавливается, и сварное соединение образуется при естественном охлаждении свариваемых поверхностей. При применении второго способа детали закрепляют неподвижно, а
между ними вращается вставка вокруг общей оси свариваемых деталей. Дальше процесс
сварки осуществляется так же, как и первым способом. Сваркой при нагреве трением обычно
соединяют детали прутков и труб. Давление, возникающее в плоскости трения, достигает
примерно 0,5—0,8 МПа при скорости вращения до 30 м/мин. С момента возникновения трения и до остановки станка проходит 3—25 секунд, шов затвердевает через 5—8 мин после
остановки вращения детали.
Сварка контактным нагревом применяется для сваривания термопластичных материалов, не свариваемых токами высокой частоты (полиэтилен, полипропилен, фторопласты).
При такой сварке соединение деталей происходит в результате нагрева свариваемых поверхностей специальными инструментами с последующим их сдавливанием. Образующиеся при
этом швы не уступают по прочности материалу изделия. Данный метод нашел широкое применение при декоративной отделке конструкций и изделий, их клеймении и маркировке, для
изготовления труб из листового полиэтилена, приварки фланцев к полиэтиленовым трубам,
полок и ребер жесткости к листам и плитам. Применяется такая сварка и при производстве
толстостенных изделий из полиамидов и полиуретанов.
При сварке токами высокой частоты электрическое поле генерируется с помощью
специальных электродов, одновременно являющихся зажимами для свариваемых изделий.
Этими же электродами-зажимами создается необходимое давление. Данный метод применяется для сваривания материалов, которые плохо проводят электрический ток и тепло. Высокочастотное поле вызывает межмолекулярное взаимодействие по всей толщине материала,
что приводит к равномерному его прогреванию. Основным преимуществом высокочастотной
сварки является ее быстрота. Например, для сварки двух листов поливинилхлорида толщиной 2 мм достаточно 5 секунд.
Для всех вышеперечисленных методов переработки пластмасс очень важен правильный подбор исходных компонентов. При этом главное внимание уделяется подбору химического строения и концентрации компонентов, которые обеспечивали бы своевременный переход от вязкотекучего состояния к стеклообразному или частично кристаллическому. В последние годы разработано много новых способов физической модификации полимеров. Они
характеризуются в основном возможностью регулировать, изменять, модифицировать
надмолекулярную структуру полимера. К ним относятся ориентационная вытяжка, направленная полимеризация, деформирование растворов полимеров с последующим удалением
растворителя и др. Перевод полимера в ориентированное состояние открывает широкие возможности существенного, иногда более чем десятикратного увеличения прочности.
Следует также отметить, что все методы переработки пластмасс в изделия и полуфабрикаты характеризуются ощутимыми потерями в виде отходов. Например, при заполнении
формы избыток расплава удаляется через специально спроектированные каналы в корпусе
формы. Когда изделие остывает, остывает и расплав в этих каналах. Имеющиеся отростки
застывшего полимера обламывают, изделие защищают, а обломки составляют неизбежные
отходы.
Помимо этого, много ценных пластмасс уходит на упаковку. Увеличивающиеся с
каждым годом запасы отработанных (выброшенных) полимерных материалов не только являются ресурсами для вторичного использования, но и несут в себе ощутимую угрозу экологическому равновесию в природе. Не разлагаясь длительное время, полимерные материалы
— отходы препятствуют нормальному развитию растений, загрязняют поверхность земли,
засоряют водные бассейны.
Уменьшение вредных последствий накопления полимерных отходов и использование
их в качестве вторичного сырья осуществляется несколькими путями.
Один из этих путей — применение синтеза цепных молекул полимера, в которых содержатся функциональные атомные группы, чувствительные к ультрафиолетовой части
спектра, например, карбонильные (=С=0). Под воздействием ультрафиолетовой части видимого спектра карбонильные группы вступают в радикально-цепное взаимодействие с кислородом воздуха, в результате чего макромолекулы полимера разлагаются вплоть до низкомолекулярных продуктов, ассимилируемых окружающей средой.
Второй путь решения рассматриваемой задачи заключается в организованном (в государственном масштабе) сборе, сортировке и вторичном использовании изделий из полимерных материалов.