16.5. Основные технологические свойства пластмасс
Основными технологическими свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отверждения (реактопласов) и термостабильность (термопластов).
Текучесть – способность материалов заполнять форму при определенной температуре и давлении – зависит от вида и содержания в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазочного материала, а также от конструктивных особенностей пресс – формы. Для не наполненных термопластов за показатель текучести принимают «индекс расплава» - количество материала, выдавливаемого через сопло диаметром 2,095 мм при определенных температуре и давлении в единицу времени.
Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы. В абсолютной величине усадки наибольшую долю составляет разность между температурными коэффициентами материала пресс-формы и материала детали. Величина усадки зависит от физико-механических свойств связующей смолы, качества и природы наполнителя, содержания в нём влаги и летучих веществ температурного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо учитывать при проектировании пресс-формы.
Продолжительность процесса перехода реактопластов из высопластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации определяет скорость отверждения. Скорость отверждения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореактивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отверждения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под давлением и снижает производительность процесса. Повышение скорости отверждения может вызвать преждевременную полимеризацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные участки формирующей полости не будут заполнены пресс - материалом.
Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определённую температуру без разложения. Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста. Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, предотвращающие возможность разложения их в процессе переработки.
В зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на следующие основные группы: переработка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьём под давлением, выдавливанием и др.); переработка в высокоэластичном состоянии (пневмо - и вакуум - формовкой, штамповкой и др.); получение деталей из жидких пластмасс различными способами формообразования; переработка в твёрдом состоянии разделительной штамповкой и обработкой резанием; получение неразъёмных соединений сваркой, склеиванием и др.; использование таких способов переработки как спекание, напыление др.
16.6. Основные пластические массы, применяемые в качестве конструкционных материалов
Полиэтилен. Полиэтилен выпускается промышленностью в виде белых и окрашенных мелких таблеток. Под влиянием солнечного облучения полиэтилен подвергается деструкции быстрее, поэтому в него часто добавляют 2-3 % сажи для поглощения солнечных лучей.
При обычной температуре полиэтилен - это высокоупругий материал, обладающий низким удельным весом, хорошими диэлектрическими свойствами и стойкостью к агрессивным средам, не изменяется под действием щелочей, кислот и солей, не растворим в органических растворителях (эфире, бензине, бензоле, толуоле и др.).
Полиэтилен морозостоек (до –50 оС и ниже). При температуре выше 60 оС становится высокоэластичным, а при 110-115 оС хорошо формируется в изделия любой конфигурации методом литья под давлением.
При температуре выше 80-60 оС он начинает растворяться в органических растворителях.
Наряду с полиэтиленом выпускают полипропилен. Этот полимер обладает многими положительными качествами, присущими полиэтилену и в меньшей степени его недостатками. Он может длительное время работать под нагрузкой при 100 оС, сохраняя форму. Из этих полимеров в основном изготовляют трубы, листы различной толщины, которые подвергаются штамповке, сопровождаемой глубокой вытяжкой (это корпуса приборов и аппаратов, заменители фарфора и фаянса, облицовочного материала т.п., широко используются они для изготовления тары для агрессивных сред).
Фторопласты. Фторопласты относятся к числу диэлектриков, причем диэлектрические свойства не изменяются от частоты тока, поэтому их чаще всего используют в технике высокочастотных и ультровысокочастотных токов.
К числу фторопластов относятся : фторопласт- 4, фторопласт- 4Д, фторопласт- 3 и фторопласт-3М .
Фторопласт-4 – имеет температуру деструкции ниже температуры текучести (330-340 оС), поэтому детали методом литья получать нельзя, а также нельзя и методом прессования. В то же время он обладает широким температурным интервалом от –269 до +260 оС. В этом диапазоне температур мало изменяются диэлектрические свойства. Фторопласт обладает высокой стойкостью к действию любых агрессивных сред, нерастворимостью, высокими антифрикционными свойствами, высокой упругостью.
Изготовление деталей представляет определенные трудности.
Из порошкового фторопласта- 4 детали прессуют в холодных формах при удельном давлении 2500-3000 МПа.
Полистирол. Полистирол выпускают в виде порошка или в виде гранул. Это аморфный прозрачный бесцветный полимер, легко окрашиваемый в различные цвета.
При обычной температуре полистирол твёрд и стекловиден, свыше 80 оС становится эластичным. Максимальная эластичность проявляется при 200 оС, а с 220 оС, начинается термическая деструкция полимера. Изделия формируются при 200-210 оС литьём при удельном давлении 7000-15000 МПа.
Из полистирола обычно изготовляют сложные и сложноармированные детали приборов общего, электро- и радиотехнического назначения.
Полиамиды. В зависимости от различного химического состава исходного сырья вырабатывают несколько типов полиамидов, которые применяются для изготовления пленок, волокон, деталей.
Для изготовления деталей используют полиамид 68, полиамид 66 и капрон.
Полиамиды – это гранулы или куски неправильной формы от светло-кремового до коричневого цвета, могут быть матовые или просвечивающиеся.
Выше температуры плавления полиамиды становятся высокопластичным материалом, легко заполняя форму и обтекая металлическую арматуру.
Одним из наиболее ценных качеств полиамидов является их стойкость к истирающим нагрузкам, превышающим в 2-3 раза стойкость бронзы. Но они также как все полимеры, обладая малой теплопроводностью, нагреваются при трении и теряют свою форму или разрушаются. В этих случаях выгоднее применять комбинированные детали, т.е. на металлическую поверхность, нагретую предварительно, наносится слой полиамида оплавлением.
Полиамиды ниже -15 - -25 оС становятся хрупкими.
Для сборки деталей из полиамидов используют специальный клей.
Полиамиды широко применяются для изготовления шестерён, подшипников и деталей машин общего назначения.
Полиамидное волокно широко используется для изготовления канатов, щетины, трансмиссионных лент, рыболовецких сетей.
Полиформальдегид. Полиформальдегид выпускается в виде белых гранул, он сочетает жёсткость, твёрдость и высокую ударопрочность.
Температура плавления 170-182 оС, температура деструкции более 220 оС, обладает стойкостью к минеральным маслам, бензину, высокой морозостойкостью, легко окрашивается.
Изделия изготовляют методом литья под давлением при температуре 182-220 оС.
В
настоящее время из него изготовляют
зубчатые передачи, шестерни, подшипники,
крышки, рукоятки, втулки. Удельный вес
1,425 г/см
.
Винипласт. Винипласт отличается поверхностной твёрдостью, механической прочностью, имеет низкую морозостойкость, малую пластичность, следовательно формуемость его ограничена, он стоек к действию растворов солей, кислот, не разрушается в растворах щелочей, абсолютно водостоек и набухает в маслах и бензине.
При температуре 170-180 оС переходит в пластическое состояние, но с температуры 145-148 оС он разрушается. Фасонные изделия изготовляют методом ударного прессования при температуре 160-170 оС, вводя в смесь стабилизаторы.
Для соединения деталей применяют специальный клей.
Винипласт легко подвергается всем видам механической обработки.
Листовой винипласт применяется для облицовки металлических гальванических ванн, в производстве аккумуляторных баков, корпусов приборов, насосов и других деталей. Из него изготовляют трубы для передачи кислых и солёных растворов, имеющих температуру не выше 60 оС.
Органические стекла. К органическим стёклам относятся материалы светопрозрачные, твёрдые, бесцветные и стойкие к атмосферным воздействиям, используются в производстве линз и для остекления.
Органические стёкла обладают низким удельным весом, отсутствием хрупкости , более высокой светопрозрачностью, лёгкой формуемостью в детали сложной кривизны, надёжной свариваемостью и склеиваемостью, простотой механической обработки , поверхностной твёрдостью.
Органическое стекло, как листовой материал, используется в интервале температур от –50 до +80 оС, а штамповать из него изделия можно в пределах от 105 до 150 оС.
Водные растворы щелочей и кислот не вызывают разрушения стекла. Набухает стекло в бензине и масле, растворяется в уксусной кислоте, ацетоне, дихлорэтане. Раствор в дихлорэтане используют в качестве клея для соединения органического стекла.
Волокниты, слоистые пластические массы. Волокниты представляют собой сочетание отверждающей смолы с каким-либо волокнистым наполнителем. К числу таких наполнителей относятся хлопчатобумажные очёсы, асбестовое волокно, стекловолокно. Для придания большей однородности и лучшего внешнего вида в смесь иногда вводят некоторое количество порошкового наполнителя.
Волокниты, содержащие хлопчатобумажные очёсы, перерабатывают в изделия только простым прессованием при температуре 140-160 оС и давлении 3000-3500 МПа, выдерживая их под давлением 1,0 мин./мм.
Исходная масса груба и жестка, поэтому из неё нельзя формировать мелкогабаритные, тонкостенные изделия или изделия сложной конфигурации, армированные тонкой металлической арматурой. Поэтому этот материал применяют для изготовления деталей простых конфигураций.
В хлопчатобумажных очёсах остаётся некоторое количество влаги, поглощённое во время хранения полуфабриката и отверждения связующего.
Это снижает диэлектрические свойства волокнитов и вызывает корабление или изменение растворов при использовании изделий в условиях повышенной температуры.
Асбоволокниты являются ещё более грубым и жёстким материалом, в их применении выбор конфигурации изделия ещё более ограничен, чем при использовании волокнитов. Асбоволокниты применяют в тех случаях, когда изделие должно сочетать в себе повышенную теплостойкость и устойчивость к кислым средам с ударопрочностью.
Изделия из асбоволокнитов прессуют под давлением 3000-4500 МПа, при температуре 170-180 оС, выдержка под давлением 1,5мин/мм.
Использование стекловолокна в качестве наполнителя даёт возможность в несколько раз повысить механическую прочность изделий, значительно улучшить их диэлектрические свойства, сохранив при этом теплостойкость. Из стекловолокнитов можно изготавливать сложноармированые детали общего машиностроения, электро- и радиотехнического назначения. Они обладают высокой прочностью к динамическим нагрузкам.
Сложные пластические массы выпускают либо в виде полуфабриката, представляющего собой листы наполнителя, пропитанные смолой, либо в виде отпрессованных заготовок: листы, плиты различной толщины, трубы различных диаметров. В качестве наполнителей применяют бумагу (гетинакс), хлопчатобумажную ткань (текстолит), древесносложные пластики -ДСП (наполнитель древесный шпон), стеклянную ткань (стеклотекстолиты).
В качестве связующего применяют мочевино-формальдегидную смолу.
Гетинаксы и текстолиты содержат 45-55 % связующего. Смола проникает внутрь наполнителя, надёжно защищая его от влаги воздуха и обеспечивая монолитность отпрессованного изделия. Гетинаксы и текстолиты обладают удовлетворительными диэлектрическими свойствами, они стойки к вибрационным нагрузкам и хорошо сопротивляются скалыванию.
Из текстолита изготавливают электроизоляционные изделия повышенной прочности, работающие при низких частотах тока до температуры 120-125 оС и другие детали.
Стеклотекстолиты применяют для изготовления сильнонагруженных деталей, работающих в сухих и влажных средах при температурах до 350 оС, стойких к растворам электролитов, маслам и др.
Гетинаксы используют как диэлектрик для изготовления панелей и др. деталей, работающих при низких частотах тока.
Детали из текстолита и гетинакса собираются путём склеивания и механического крепления.
Изделия из порошков на основе фенолформальдегидной смолы. В производстве пресспорошков наиболее широко применяемым связующим является фенолоформальдегидная смола, которую сочетают с любым порошковым наполнителем в известных пределах, модифицируя этим такие свойства как водостойкость, теплостойкость.
При совмещении фенолоформальдегидной смолы с другими смолами достигается модифицирование таких свойств как ударопрчность, прочность к статическим нагрузкам, диэлектрические показатели, усадка при отверждении (иногда совмещают с полиамидами, синтетическими каучуками и др.).
Перед формованием изделий пресспорошки таблетируют, а затем нагревают таблетки до прессования.
Прессование производят в прессформах, нагретых до 150-180 оС при давлении 2000-3500 МПа в зависимости от сложности изделия. Выдержка под давлением колеблется от 0,8 до 1,5 мин. на 1мм готового изделия.
Повышенная хрупкость изделий затрудняет их механическую обработку, поэтому желательно, чтобы в процессе прессования уже было готовое изделие. Механическая обработка должна сводиться только лишь к снятию плёнки в месте разъёма прессформы.
Изделия из фенолоформальдегидных пресспорошков не растворимы, стойки к атмосферным воздействиям и к воде, выдерживают длительное действие растворов кислот, солей, но постепенно разрушаются в щелочах. Применяют их в общем приборостроении, радиотехнике и др.