Технология производства пластмассовых изделий

Пластмассы– это органические материалы на основе органических и синтетических полимеров и целевых добавок (наполнителей, стабилизаторов, красителей и т. д.), способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную форму.

1. Простые (ненаполненные).

2. Сложные (композиционные).

Простые– это термопластичные (полиэтилен, полистирол).

Сложныесостоят из полимера и ряда специальных добавок, обеспечивающих необходимый комплекс свойств.

Полимеры в композиционных пластмассах выполняют роль связующего.

Наполнители, как правило, твердые (в виде порошка, волокон или листов).

– оксиды Ti, Zr, Si, и др.

– слюда, тальк, стекло

– древесина, лен, хлопок, целлюлоза.

В зависимости от температуры различают три физических состояния аморфного полимера (рис.2).

1. Стеклообразное (хрупкое) состояние от комнатной температуры до температуры ТС (стеклования).

2. Высокопластичное (от ТСдо ТТ (текучести)).

3. Вязкотекучее состояние.

Рисунок 20 – Термомеханическая кривая аморфного полимера.

Эти состояния определяют отличия технологии обработки пластмасс от технологии обработки металлов и сплавов (см. табл. 2).

Таблица 2 – Отличия от производства изделий из сталей и сплавов

1. Многостадийность технологии

выплавка → литье → ОМД → ТО → сварка

1. Одно- или двухстадийность технологии

плата электротехническая за один прием

2. Значительные потери металла (отходы)

2. Высокий коэффициент использования материала (0,85 – 0,95 %)

3. Высокая трудоемкость

3. Низкая трудоемкость (в 5 – 6 раз меньше, чем у металлов)

4. Высокая стоимость технологии изготовления

4. Относительно малая стоимость технологии изготовления (в 2 – 9 раз меньше, чем металлов)

5. Зависимость метода преработки от химического состава и требуемых свойств.

5. Зависимость метода переработки от физического состояния при нагреве.

Подготовительные операции обработки пластмасс проводят перед переработкой для улучшения технологических свойств. Это:

1) смешение – получение однородной массы полимерных композиций из различных ингредиентов в измельченном виде. Как в жидкой, так и в твердой фазе; смесители;

2) вальцевание – на валковых машинах многократное пропускание массы через зазор между валками для придания пластичности и однородности;

3) таблетирование – для получения из пресс-порошков или пресс-волокнитов прочных таблеток, что увеличивает точность дозировки и уменьшает потери сырья;

4) сушка и предварительный подогрев для повышения сыпучести и удаления излишней влаги и летучих веществ;

5) гранулирование (та же цель, что и у таблетирования).

Методы переработки пластмасс в вязкотекучем состоянии. Сущность переработки – нагрев до температуры больше ТТ, формообразование при этой температуре за счет приложения давления и фиксации полученной формы.

1. Экструзия – получение сырья в виде гранул, порошка или расплава изделий бесконечного типа заданного профильного сечения (труб, листов, лент, пленок, оболочек для кабелей и т. д.) путем непрерывного продавливания через формующий инструмент. Перерабатывают все полимеры.

2. Литье под давлением.

3. Центробежное литье.

4. Каландирование(то же, что ивальцевание) получают листовые и пленочные изделия, а также наносят полимерные покрытия на ткани, нанесение тиснений и рельефного рисунка на пленки и слоистые материалы.

5. Прессование – самый распространенный способ реактопластов; в горячей пресс-форме.

6. Метод формования – из жидкой фазы с помощью отверждающихся смол.

7. Метод полива (кино- и фотопленки, целлофан) – непрерывно льют на движущуюся транспортную ленту, проходящую через специальную тепловую камеру. При этом удаляется растворитель и формируется пленка, которая затем сматывается в рулоны.

Формование крупногабаритных изделий из стеклопластиков и армированных различными волокнами пластмасс проводят следующими методами:

1) традиционные методы, основанные на совместном движении связующего и коротковолокнистого связующего в каналах и полостях формующего инструмента, т. е. это прессование, литье под давлением, экструзия;

2) специфические методы формования крупногабаритных изделий (оболочек, труб, цистерн, кровли, строительных панелей, кузовов автомобилей, корпусов лодок и судов, самолетов, ракет и др.)

– контактное формование (пропитка связующим волокнистого наполнителя, который неподвижен);

– формование с помощью эластичной диафрагмы;

– пропитка под давлением в замкнутой форме;

Методы получения деталей из пластмасс в твердом состоянии:

1. Холодное формование листовых заготовок.

2. Объемная штамповка листовых термопластов.

3. Разделительная штамповка (вырубка, пробивка, зачистка).

4. Обработка пластмасс резанием (сверление, шлифование, полирование).

5. Сварка (нагретым газом, нагретым инструментом, ультразвуком, инфракрасным излучением).

6. Склеивание с помощью клея или растворителя.

Как правило, процесс изготовления изделий из непрерывно армированных полимерных композиционных материалов совпадает с процессом получения самого композита.

Наибольшее практическое применение находят следующие способы производства изделий из армированных пластиков:

  • • контактное формование с укладкой пропитанного смолой волокнистого холста на форму;
  • • напыление волокнисто-полимерной композиции на поверхность формы;
  • • различные способы формования в закрытой форме;
  • • намотка пропитанного смолой волокна на форму;
  • • пултрузия, или формование профильных изделий путем протяжки волокна через ванну с полимером и калибрующую фильеру.

Значения свойств полимерных композитов могут отличаться в несколько раз в зависимости от технологии формования. Выбор технологии зависит от конструкции изделия, условий его эксплуатации, объема изготовления и имеющихся производственных ресурсов.

Неправильная организация техпроцесса, неудовлетворительная подготовка исходных компонентов, несоблюдение технологических режимов (давления прессования, продолжительности и температуры процесса, предписаний по подготовке сырья и материалов) и многие другие причины могут значительно изменять свойства готовых изделий. Поэтому очень важно не только грамотно, с учетом конструкции и условий эксплуатации изделий, построить технологический процесс, но и при его реализации четко соблюдать технологические режимы. С этой целью необходимо на всех стадиях процесса осуществлять текущий контроль технологических параметров и свойств изготавливаемого изделия.

Читайте также:  Простая дверь из досок своими руками

Для изготовления небольших серий крупногабаритных изделий сложной геометрической формы применяют послойную укладку ламината, используя в качестве связующего смолы холодного отверждения (эпоксидные, полиэфирные и др.). Эта технология называется контактным формованием (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Схема контактного формования:

/ — форма; 2 — ламинат; 3 —- прикаточный ролик

При таком способе ламинат 2, представляющий собой армирующий материал, пропитанный полимерной композицией, укладывается на специальную негативную форму 1 (матрицу), затем тщательно прикатывается валиком 3 с целью уплотнения и удаления пузырьков воздуха, после чего полимерная композиция отверждается. Поверхность готового изделия является зеркальным отражением поверхности использованной формы и полностью воспроизводит ее фактуру.

При больших толщинах будущего изделия из стеклопластика нанесение ламината проводят в несколько стадий, давая возможность каждому слою отвердиться и охладиться. Это связано с тем, что отверждение смолы происходит с выделением значительного количества тепла (рис. 9.7). В результате происходит перегрев отверждающейся композиции, появляются значительные внутренние напряжения,

Рис. 9.7. Влияние продолжительности полимеризации (т) смолы с коротким (7), средним (2) и большим (3) временем гелеобразования на температуру ламината приводящие к деформациям, короблению и растрескиванию готовых изделий.

В последние годы получил развитие способ изготовления крупногабаритных изделий из стеклопластика путем напыления на формообразующую оснастку композиции, содержащей связующее (полиэфирную смолу и катализатор отверждения) и рубленое стекловолокно (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Схема производства изделий из стеклопластика методом напыления:

  • 1 — форма; 2 — ламинат; 3 — режущее устройство; 4 — напылительный пистолет;
  • 5 — бобина ровинга

Важной особенностью напылительного оборудования последнего поколения является то, что смешение смолы и катализатора отверждения происходит вне напыляющего пистолета, т. е. в потоке воздуха, транспортирующего и перемешивающего все три компонента (смолу, катализатор отверждения и рубленое стекловолокно). Такая конструкция напыляющего оборудования позволяет избежать отверждения полимерной композиции внутри смесительной камеры и в подающих шлангах при внутреннем смешении компонентов. Поток воздуха выполняет двойную функцию: перемешивает компоненты и транспортирует смесь к матрице.

Как и при послойной ручной укладке пропитанной смолой ткани, напыленный на матрицу слой композиции прикатывается валиком с целью уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Как видно из рис. 9.3, увеличение содержания волокна в композиции приводит к росту прочностных свойств. Однако для хорошей пропитки волокна связующим его содержание при такой технологии не должно превышать 33—35 % по массе.

При использовании технологии напыления не требуются предварительный раскрой стекломатериалов, подготовка полимерной композиции и пропитка ею армирующего наполнителя. Это позволяет сократить производственные площади, повысить производительность труда и снизить себестоимость продукции.

Технология производства изделий путем напыления наиболее экономически целесообразна при изготовлении крупногабаритных изделий, так как количество образующихся отходов зависит от площади изделия и снижается с ее увеличением. Так, при площади изделия более 1 м 2 количество отходов не должно превышать 2 %.

Для многих областей применения стеклопластиков, особенно для изготовления архитектурно-строительных изделий, продукции культурно-бытового назначения, водных горок и аттракционов, большое значение имеет цветовое оформление изделий. Достижение требуемых цветов изделий с одновременным повышением их устойчивости к воздействию УФ-облучения, а также к различным агрессивным средам, истиранию и другим нагрузкам осуществляется путем использования в качестве лицевого слоя специальных полимерных композиций (гель-коутов), окрашенных в требуемый цвет. Для их изготовления используются полиэфирные смолы с более высокими физико-механическими и физико-химическими свойствами, чем смолы, применяемые для изготовления стеклопластика.

Для окрашивания гель-коутов в требуемые цвета используют органические и неорганические пигменты. Используя комбинации цветных паст, промышленность поставляет потребителям сотни гель-коутов различных цветовых оттенков.

Толщина покрытия составляет 0,4—0,6 мм. При недостаточной толщине через него проступает структура армирующего наполнителя и снижается его долговечность, а при завышенной толщине гель-коут склонен к растрескиванию и появлению других дефектов. Неравномерная толщина слоя гель-коута также приводит к снижению свойств лицевого слоя, поэтому ее необходимо тщательно контролировать в процессе нанесения на матрицу.

Прессование стеклопластиков в замкнутых объемах используется для производства формованных изделий с заданной поверхностью и точными размерами. Формование проводится под давлением при комнатной или повышенной температуре. Замкнутое пространство, соответствующее геометрии изделия, может создаваться разъемной формой (рис. 9.9) или с помощью эластичной диафрагмы (рис. 9.10). Роль эластичной диафрагмы часто выполняет резиновый мешок, который может обжимать заготовку за счет давления воздуха, подавае-

Рис. 9.9. Схема прессования изделия в замкнутой форме:

1 — неподвижная плита пресса; 2 — пуансон; 3 — заготовка; 4 — матрица; 5 — подвижная плита пресса

Рис. 9.10. Схема прессования изделия при помощи эластичной диафрагмы:

I — форма; 2 — запорные болты; 3 — верхняя плита; 4 — эластичная диафрагма

мого в него, либо путем создания вакуума между мешком и заготовкой.

Необходимость нагрева формы с заготовкой определяется свойствами связующего. Так, использование в качестве связующего фенолформальдегидных смол требует нагрева материала в течение 15—20 мин при температуре 190—200 °С. Применение полиэфирных и эпоксидных смол позволяет проводить отверждение при комнатной температуре.

В последние годы широко используется формование армированных пластиков по RTM-процессу (resin transfer moulding). По этой технологии также используют закрытые формы, состоящие из двух частей (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схема формования изделий по RTM-технологии:

1 — водный фильтр; 2 — форма; 3 — емкость со связующим; 4 — кран вакуумной линии; 5 — вакуум-насос; 6 – кран линии подачи связующего; 7 — армирующий

Отверждение связующего производится при комнатной температуре. Процесс заключается в следующем. В форму 2 закладывается армирующий волокнистый наполнитель 7 в виде ткани, холста и других волокнистых материалов. Форма герметично запирается, и в ней с помощью вакуум-насоса 5 создается вакуум. После этого в форму из емкости 3 под небольшим давлением подается полимерная композиция (смола с катализатором отверждения). При этом связующее растекается по всему объему формы и пропитывает армирующий наполнитель.

Читайте также:  Что такое черная и цветная металлургия

Форма должна иметь достаточную жесткость, чтобы ее внутреннее пространство не изменялось ни под действием вакуума, ни при подаче смолы под давлением. Изменение геометрии формы приводит к появлению искажений в изделии. Стабильность внутреннего пространства формы при формовании изделия достигается созданием на ее наружной поверхности ребер жесткости. Поскольку формование производится при низком давлении, форма может быть сделана из стеклопластика, бетона и других недорогих материалов.

Горячее прессование и RTM-процесс позволяют получать изделия из армированных полимерных композитов с высоким качеством всей поверхности. Поскольку в обоих случаях формование проводится в закрытой форме под давлением, то получаемое изделие по всей площади контакта с формой воспроизводит ее поверхность и имеет заданную формой не только геометрию, но и фактуру поверхности.

Применение этих технологий имеет важные преимущества. Оно ускоряет процесс отверждения смолы, увеличивает производительность труда, сокращает производственные площади, снижает трудоемкость, повышает точность размеров изделий и их стабильность, сокращает объемы образования отходов, повышает механические свойства изделий и улучшает санитарно-гигиенические условия производства.

Следует, однако, заметить, что стоимость прессовой оснастки довольно высока, и поэтому все перечисленные преимущества прессования реализуются только при массовом производстве однотипной продукции.

Большое значение при прессовании изделий в закрытых формах имеет правильный выбор разделительных составов, которыми покрывают внутренние поверхности полуформ. Это облегчает раскрытие форм и удаление из них отформованных изделий, а также продлевает сроки эксплуатации технологической оснастки.

При изготовлении из армированных полимеров изделий, имеющих форму тела вращения, используют технологию намотки. По этой технологии на вращающуюся оправку наматывается волокно, пропитанное связующим. Пропитка осуществляется в ванне со связующим, через которую проходит непрерывное волокно или жгут.

Для повышения прочности готового изделия в осевом направлении намотку волокна производят под углом к продольной оси оправки. Укладка армирующего наполнителя осуществляется по различным схемам в зависимости от условий работы готового изделия. В промышленности применяют следующие схемы намотки: кольцевую, орбитальную, продольно-поперечную, спиральную.

Этим способом производят трубы большого диаметра (до 5 м), цистерны для перевозки химических продуктов, корпуса ракет и другие изделия. При изготовлении цистерны отдельно изготавливают трубу способом намотки и две обечайки методом напыления, которые затем склеивают. Формование замкнутых корпусов цилиндрической формы производят в виде коконов путем орбитальной намотки с усилением отдельных наиболее нагруженных участков корпуса.

Процесс намотки производится в автоматическом режиме с помощью программного управления.

Пустотелые изделия оболочковой формы изготавливаются путем намотки на оправку, которая может быть:

  • • неразборной;
  • • разборной;
  • • выплавляемой;
  • • разрушаемой;
  • • выжигаемой;
  • • надувной;
  • • комбинированной.

Неразборная оправка используется при изготовлении изделий открытых хотя бы с одного торца и позволяющих извлечение оправки. Такая оправка используется многократно. Использование оправки такого типа ограничено конструкцией изделия и во многих случаях невозможно. Формование крупногабаритных изделий с применением неразборной оправки затруднено также в связи с необходимостью приложения больших усилий для ее выемки из отформованного изделия.

При невозможности осевого извлечения оправки из готового изделия сложной формы ее делают разборной. Разборные оправки имеют высокое качество поверхности, легко извлекаются из готового изделия, используются многократно, но стоят довольно дорого.

Разрушаемые оправки имеют одноразовое применение, изготавливаются из относительно прочного, но в то же время легко разрушаемого материала, например, гипса. Стоимость их высока, а после разрушения оправки ее куски подлежат уничтожению.

Для изготовления одноразовых оправок возможно использование песчано-смоляных композиций и легкоплавких материалов. Такие оправки удобны в работе, так как их изготовление достаточно просто, а материалы для их производства могут быть использованы многократно.

В качестве легкоплавких материалов для изготовления оправок применяют парафино-восковые составы, некоторые термопласты, эвтектические сплавы. Выплавляемые оправки могут быть использованы только при производстве изделий из армированных композитов на основе связующего холодного отверждения. Особые преимущества оправки из выплавляемых материалов возникают при изготовлении изделий со сложной поверхностью, с полостями и каналами.

Выжигаемые оправки изготавливают из легкогорючих материалов низкой плотности, например, из пенополистирола. Они дешевы, так как расход материалов на их производство невелик, а технология изготовления проста. Такие оправки также удобно использовать для производства изделий сложной формы, имеющих полости.

И наконец, надувные оправки изготавливают из эластичных материалов, например, резины. Такие оправки надуваются воздухом и могут служить в качестве оснастки для производства оболочковых конструкций из полимерных композитов. Однако применение надувных оправок ограничивается возможностями получения изделий с точными размерами и рядом других технологических причин.

Для изготовления длинномерных элементов с небольшим поперечным сечением, таких как стержни, трубки, уголки, швеллеры, используют непрерывное формование способом пултрузии (рис. 9.12).

Рис. 9.12. Установка для формования профилей из стеклопластика способом

1 — шпулярник; 2 — пропиточная ванна; 3 — формующая матрица; 4 — камера термообработки; 5 — камера охлаждения; 6 — тянущее устройство; 7 — дисковая пила; 8 — станина; 9 — пульт управления

Производственный процесс заключается в том, что стекловолокнистый материал в виде жгутов, лент и т. п. из шпулярника 1 протягивают через ванну 2, наполненную полимерной композицией, а затем — через нагретую до 130—150 °С формующую матрицу 3 требуемой конфигурации. При этом методе отношение смолы к армирующему материалу равно 3:1. В результате на выходе получается армированный профиль, конфигурация которого повторяет форму фильеры. Этим методом можно получать изделия с любым профилем. Прочность при разрыве таких изделий в продольном направлении достигает 1100 МПа.

Читайте также:  Какие лампы самые экономичные для квартиры

Основными узлами пултрузионной установки являются секция подачи стеклонаполнителя, пропиточная секция, фильера, тянущий узел, гидромаслостанция, пила и контрольный узел, который включает в себя блок питания, блок управления нагревательными элементами и блок управления тянущим узлом.

В современных пултрузионных установках нагревание осуществляется с помощью переменного электрического поля высокой частоты, что позволяет осуществлять практически мгновенный нагрев материала до заданной температуры в любом объеме. Использование высокочастотного нагрева позволяет изготавливать способом пултру- зии толстостенные изделия с высокой производительностью, достигающей 6 м/мин.

Независимо от технологии производства изделий из армированных полимерных материалов на свойства готовой продукции большое влияние оказывает режим отверждения связующего, т. е. температура и продолжительность отверждения. Многие связующие (полиэфирные и эпоксидные смолы) отверждаются при комнатной температуре, однако для достижения изделием из этих полимеров максимальных прочностных свойств необходимо провести постотверждение, т. е. дополнительное отверждение при повышенной температуре (60—80 °С) в течение нескольких часов.

Вместе с тем, некоторые связующие (фенолформальдегидные смолы) не способны отверждаться при комнатной температуре, и изделия из них отверждают при повышенной температуре, которая зависит от природы связующего.

Важную роль в производстве формованных изделий из полимерных композитов играет конструкция технологической оснастки, от которой зависят не только качество изделия, его поверхность и форма, но и сама возможность получения изделия заданной формы, а также его стоимость. Конструкция и стоимость технологической оснастки для изготовления армированных пластиков зависят от принятой технологии производства и объема производства однотипных изделий.

Таким образом, технологические возможности производства изделий из армированных композиционных материалов разнообразны, выбор технологии производства — очень важная стадия при разработке и конструировании изделий, от которой зависят не только свойства готовой продукции, но и ее себестоимость.

При выборе способа производства необходимо учитывать: конструкцию изделия, условия его эксплуатации, свойства сырьевых материалов, режимы отверждения связующего, технологию подготовки армирующих материалов, стоимость технологической оснастки и объемы производства изделий из композиционных армированных

Потребность в производстве пластмассовых изделий продолжает интенсивно расти.

Итак, какие же технологии применяются для изготовления изделий из пластика?

На сегодня есть несколько способов, позволяющих получить продукцию из пластмасс: экструзия, экструзия с раздувом, вакуумная формовка и литье пластмасс под давлением. Попробуем коротко рассказать о каждом из них.

При экструзии расплавленное сырье продавливается через формующее отверстие, охлаждается и затвердевает.

Данный метод применяют для изготовления продолговатых объектов, таких как трубы, шланги и прочих погонажных изделий.

В то время как экструзия с раздувом применяется для изготовления полых изделий – пластиковых бутылок, флаконов и т.п.

Как и при классической экструзии, в данном методе полимеры поступают в специальные аппараты – экструдеры.

Схема производства немного отличается от предыдущего способа.

Сырье поддается термической обработке и, будучи расплавленным, продавливается через формующее отверстие с последующим раздуванием и складыванием в двухслойное полотно.

Что касается вакуумной формовки – эта технология, в первую очередь, отличается тем, что в качестве сырья здесь используется пластмассовый лист, который на начальном этапе нагревается до тех пор, пока не станет мягким.

Далее размягченный лист втягивается в матрицу, где под воздействием вакуума принимает необходимую форму.

С применением данной технологии можно получить совершенно разные изделия и достаточно быстро изготовить пробный образец.

Однако данный метод изготовления пластиковых деталей не пользуется популярностью среди производителей.

На это есть следующие причины: высокая стоимость за единицу изделия, видимость производственных дефектов на прозрачных изделиях, отсутствие возможности изготовления изделий со сложными параметрами, получаемый на выходе продукт нуждается в дополнительной механической доработке.

И, наконец, мы подошли к самому распространенному методу – литью под давлением .

Обратите внимание, что литье под давлением осуществляется с помощью специального оборудования – термопластавтоматов.

Теперь о технологии.

Гранулы из полимеров помещаются в контейнер термопластавтомата, на следующем этапе все компоненты перемещаются в узел пластификации, где впоследствии нагреваются до вязко-текучего состояния и под воздействием высокого давления впрыскиваются в пресс-форму.

Вещество охлаждается, что приводит к затвердеванию пластмассы – в результате получается готовое изделие.

Сегодня на мировом рынке более трети от общего объема ежегодно производимых изделий из полимеров приходятся на литьевые машины (термопластавтоматы).

Такая популярность объясняется универсальностью и высокой производительностью.

Термопластавтоматы позволяют массово изготавливать детали любой сложности с минимальными затратами ресурсов.

Более того, современные технологии предоставляют возможность литья пластмасс из нескольких компонентов, в том числе и с закладными элементами.

Детали, полученные методом литья под давлением, практически не нуждаются в дополнительной обработке.

Наряду с другими преимуществами следует отметить и возможность полной автоматизации производства.

Термопластавтоматы нашли свое применение во многих сферах: медицине, автопроме, бытовой технике, электронике, медицине, производстве мебели, индустрии игрушек и даже авиакосмической промышленности.

Компания «Автоп» заботится о том, чтобы производство было высокотехнологичным и продуктивным.

На предприятии представлены лучшие термопластавтоматы лидеров рынка.

В наших интересах внедрять самые эффективные современные практики изготовления пластиковых изделий, так как для нас важен только качественный результат!