МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ВОСТОЧНОУКРАИНСКОГО НАЦИОНАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ ВЛАДИМИРА ДАЛЯ

(Г. СЕВЕРОДОНЕЦК)

Кафедра технологии полимеров

Конспект лекций

по дисциплине «Технология и оборудование переработки пластмасс и

эластомеров»

для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 6.091612 –Технология переработки полимеров (часть 2)

Утверждено на заседании кафедры технологии полимеров Протокол № ____ от ____________

Северодонецк - 2009

Конспект лекций по дисциплине «Технология и оборудование переработки пластмасс и эластомеров» (часть 2) для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 6.091612 – Технология переработки полимеров/ Сост. Е.П.Шарун – Северодонецк, ТИ, 2009 – 90 с.

Составитель: Шарун Елена Петровна, к.т.н., доцент

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой технологии полимеров Ю.П.Кудюков, д.х.н., профессор

2

Оглавление

стр.

1.Введение……………………………………………………………………...4

2.Лекция №1. Классификация и основы методов формования

полимерных материалов. Метод термоформования термопластов………6

3.Лекция №2. Влияние на процесс термоформования основных его технологических

параметров…………………………………………..10

4.Лекция №3. Аппаратурное оформление процесса термоформования…..15

5.Лекция №4. Аппаратурное оформление процесса

термоформования (продолжение)……………………….…………….

…...19

6.Лекция №5. Метод холодного формования полимерных термопластичных материалов………………………………………………

23

7. Лекция №6. Технологические особенности метода холодного формования

термопластов…………………………………………………..27 8. Лекция №7. Аппаратурное оформление процесса холодного

формования

термопластов…………………………………………………..31 9. Лекция №8. Формование резинотехнических изделий…………..…….…

34

10. Лекция №9. Получение изделий из полимерных материалов методом прессования.............................................................…………..

….38 11. Лекция №10. Аппаратурное оформление процесса

компрессионного прессования...............................................................

…..42

12.Лекция №11. Ротационное (роторное) прессование..................................52

13.Лекция №12. Формование пленок поливом из раствора.........

……......60

14.Лекция №13. Армирование полимерных материалов....………….

……..68

15.Лекция №14. Сварка деталей из полимерных материалов……….. ……..75

16.Литература……………………………………………………..……….......88

3

Введение

Дисциплина «Технология и оборудование переработки полимеров и эластомеров» читается студентам специальности 6.091612 – Технология переработки полимеров дневной и заочной форм обучения.

Согласно учебному плану общий объем дисциплины составляет 432 часа, из них количество лекций для студентов дневной формы обучения – 98 часов, количество практических занятий – 84 часа; для студентов заочной формы обучения, соответственно, – 18 и 20 часов. Учебным планом дисциплины предусмотрена самостоятельная работа студентов: соответственно, 250 и 394 часов для дневной и заочной форм обучения.

Изучение дисциплины осуществляется в течение двух семестров, при этом общий объем дисциплины распределен по семестрам следующим образом: 166 и 266 часов, соответственно.

Полимерные материалы внедрились во все сферы человеческой деятельности - технику, здравоохранение, быт. Ежедневно мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Полимерные материалы обладают многими полезными свойствами: они высокоустойчивы в агрессивных средах, хорошие диэлектрики и теплоизоляторы. Некоторые полимеры обладают высокой стойкостью к низким температурам, другие - водоотталкивающими свойствами и так далее.

Переработкой полимеров в изделия занято большое число специализированных заводов и цехов во всех отраслях промышленности. Развитие промышленности требует непрерывного увеличения числа квалифицированных специалистов по производству синтетических смол и пластических масс, а также по их переработке в изделия.

Целью изложения дисциплины «Технология и оборудование переработки полимеров и эластомеров» является подготовка студентов к практическому освоению своей специальности – Технология переработки полимеров, а именно: дать студентам знания о физико-химических закономерностях переработки пластических масс и эластомеров в изделия, о сущности и

4

способах промышленного осуществления технологических процессов изготовления полимерных изделий различной конструкции.

В лекциях рассматриваются современные технологические процессы переработки полимеров в изделия (термоформование; холодное формование; компрессионное, литьевое и трансферное прессование; ротационное формование и непрерывное профильное прессование - штранг-прессование; формование пленок поливом из раствора; склеивание и сваривание полимерных материалов; металлизация полимерных материалов и напыление полимерных покрытий), перспективные режимы их осуществления, а также принципы действия и строение основного технологического оборудования, используемого для осуществления различных процессов переработки полимеров в изделия.

Лекционный материал позволяет получить навыки экономического анализа использования того или иного метода переработки, выбора наиболее оптимального вида полимерной композиции, а также типа оборудования для ее переработки.

Излагаемый курс базируется практически на всех химических, фундаментальных и инженерно-технических дисциплинах и, в свою очередь, является основой для последующего изучения курсов «Спецтехнология переработки эластомеров», «Расчеты и конструирование изделий из пластмасс и эластомеров», для курсового и дипломного проектирования.

Целью выполнения самостоятельной работы является получение навыков работы с литературой, умение самостоятельно овладевать знаниями для дальнейшего решения практических задач.

Текущий контроль осуществляется в форме активизирующих вопросов на лекциях, контрольных работ по темам и индивидуального опрашивания. Для дневной формы обучения предусмотрено проведения модульного контроля.

Контроль самостоятельной работы осуществляется в форме защиты рефератов.

Итоговый контроль осуществляется в форме экзамена - 7 семестр (дневная и заочная формы обучения), зачета – 8 семестр (дневная и заочная формы обучения), тестового государственного экзамена - 8 семестр (дневная и заочная формы обучения).

5

Лекция №1

Классификация и основы методов формования полимерных материалов. Метод термоформования термопластов

При формовании объемных изделий используются листы и пленки из термопластичных материалов, листовые нерастекающиеся препреги (на основе термореактивных смол), а также листы из сырых резиновых смесей (при производстве резинотехнических изделий).

В зависимости от состояния термопласта он по-разному деформируется под нагрузкой при растяжении, сжатии, кручении и т.п. В твердом состоянии при правильно подобранном усилии деформация будет незначительна, в высокоэластическом она будет выше, в вязкотекучем – достигнет максимума.

При формовании изделий из листовых термопластов возникает ориентация материала. В ориентированных полимерах межмолекулярное взаимодействие между соседними цепями молекул осуществляется по всей их длине. Это приводит к значительному повышению прочности полимера в направлении перпендикулярном ориентации. Поэтому, чтобы разрушить ориентированный образец, требуется одновременно разорвать химические связи параллельно расположенных цепей.

Удлинение при растяжении у ориентированных полимеров меньше, чем у неориентированных.

Метод термоформования заключается в следующем.

Плоская заготовка из термопласта тем или иным способом разогревается до температуры, соответствующей высокоэластическому состоянию (при переработке аморфных термопластов), или до температуры начала плавления кристаллов (при переработке термопластов с различной степенью кристалличности). Затем нагретая заготовка закрепляется по контуру в зажимном устройстве (подвижно или неподвижно) и устанавливается над

6

формой. Оформление заготовки в изделие происходит под действием разности давлений над заготовкой и под ней.

Разность (перепад) давлений может быть создана различными способами:

1.вакуумированием объема под формуемой заготовкой;

2.созданием избыточного пневматического давления над заготовкой;

3.воздействием на заготовку различными механическими толкателями;

4.использованием для создания давления над заготовкой жидкости или паровоздушной смеси.

После того, как под воздействием перепада давления плоская заготовка приняла форму готового изделия, его охлаждают. Такова традиционная схема термоформования листовых и пленочных термопластов, для реализации которой разработано множество способов.

Классификация способов формования

Все применяющиеся в промышленности способы формования можно разделить:

∙по типу нагрева;

∙по виду устройства для зажима заготовки;

∙по варианту создания формующего давления;

∙по технологии получения заготовки для формования;

∙по типу деформирования листа в объемное изделие;

∙по виду применяемой оснастки и технологических приемов.

Нагрев заготовок – одна из наиболее длительных и ответственных операций в процессе формования листовых и пленочных термопластов.

Распространены четыре типа нагрева: конвективный, теплорадиационный (инфракрасный), контактный и смешанный. Смешанный нагрев может в тех или иных вариациях совмещать контактный, теплорадиационный и конвективный.

Теплорадиационный и контактный обогревы могут быть односторонними и двусторонними. При конвективном способе нагрева в качестве теплоносителя чаще всего используется горячий воздух, но в некоторых случаях предпочтение отдают горячей воде или пару.

Для закрепления заготовок при термоформовании листовых и пленочных термопластов применяют два вида устройств:

∙обеспечивающие жесткое закрепление заготовок по всему ее периметру;

∙допускающие проскальзывание заготовки при ее формовании.

Впервом случае в процессе участвует в основном объем материала, расположенный непосредственно над формой, и незначительно – материал, находящийся между формой и зажимным устройством. При втором способе крепления в процессе образования изделия активно участвует не только весь

7

объем материала, находящийся внутри зажимного устройства, но и материал, находившийся до начала формования вне контура закрепления.

Взависимости от конструктивного оформления процесса формования зажимные устройства могут выполняться подвижными или стационарными. Иногда формующие машины не имеют специального зажимного устройства.

Вэтом случае функцию крепления листа выполняет форма.

Взависимости от источника формующего перепада давления различают:

-вакуумное;

-пневматическое;

-гидравлическое;

-паровоздушное;

-механическое и комбинированное формование.

Механическое формование часто называют штамповкой. Этим способом могут быть осуществлены следующие процессы:

∙вытяжка пуансоном (протяжка);

∙гибка;

∙формование сопряженными матрицей и пуансоном;

∙формование эластичной матрицей и жестким пуансоном;

∙формование жесткой матрицей и эластичным пуансоном;

∙механическое объемное формование монолитных и пустотелых изделий.

Впромышленности существенное распространение получили различные комбинации вакуумного, пневматического и механического формования. Существует механопневматическая технология, в которой в

различных сочетаниях варьируется применение сжатого воздуха, механического пуансона и вакуума. Часто используется пневмовакуумное и

механовакуумное формование.

Гидроформование применяется, как правило, для оформления толстостенных изделий, когда требуемый формующий перепад столь значителен, что применение пневматики нежелательно с точки зрения техники безопасности. Гидроформование может быть осуществлено тремя способами:

1.непосредственной подачей жидкости на формуемую заготовку;

2.гидравлическим пуансоном с постоянным объемом;

3.гидравлическим пуансоном переменного объема.

При осуществлении двух последних способов применяются эластичные мембраны.

Иногда, чтобы поддержать высокую температуру термопласта в течение всего периода оформления изделия, для создания давления используют паровоздушную смесь, т.е. осуществляют паро-воздушное формование.

Существуют специальные способы формования, в частности, топформование, отличающиеся технологией получения заготовок для формования.

8

Обычно заготовки из пленок и листов имеют одинаковую толщину по всей площади. Однако именно это явление является препятствием при получении изделий сложной конфигурации или изделий с высокими требованиями к разнотолщинности их стенок. Поэтому иногда используются специальные способы формования, сочетающиеся с предварительным профилированием заготовки нужной формы. К таким способам относится топформование (формование из заготовок, получаемых экструзионно-прессовым методом), а также сочетание в одном агрегате литья под давлением заготовок и их термоформования в объемные изделия. При топформовании используются заготовки, предварительно профилированные, т.е. имеющие утолщения в местах, подвергающихся наибольшей вытяжке при формовании. Таким образом, становится возможным получение изделий практически равнотолщинных.

Вне зависимости от способа нагрева заготовки, способа ее закрепления, используемого метода создания перепада давления и вида заготовки формование листовых материалов подразделяют на: свободное, негативное, позитивное, негативно-позитивное.

Свободное формование происходит без соприкосновения материала заготовки с формующим инструментом. Чаще всего последний просто отсутствует. Его заменяет специальная рама (пройма), которая, наряду с величиной перепада давления, и определяет конфигурацию получаемого изделия.

Негативное формование - (формование в матрице) обеспечивает получение изделий, наружная поверхность которых точно воспроизводит форму и тиснение внутренней поверхности матрицы.

Позитивное формование - (формование на пуансоне) обеспечивает получение изделий, внутренняя поверхность которых в точности воспроизводит форму и тиснение внешней поверхности пуансона.

Негативно-позитивное формование сочетает элементы формования как в матрице, так и на пуансоне. Возможно, хотя и реже, сочетание свободного формования с негативным, позитивным или негативно-позитивным.

Упаковка штучных изделий методом «скин» и «блистер»

Для упаковки различных товаров широко применяют формованную прозрачную пленку, так называемую упаковку методом «скин» и «блистер».

При упаковке изделий методом «скин» (skin – кожура) пленка плотно прилегает к предмету. Процесс упаковки основан на методе позитивного пневмоили вакуумформования, т.е. пленка формуется на изделии, как на пуансоне. Упаковываемое изделие располагают на основании из картона или на плоской полимерной подложке. На картонное основание может быть предварительно нанесено адгезионное покрытие, активируемое при нагреве. Одновременно с формованием происходит сварка или склеивание прозрачной пленки с подложкой. На подложку могут быть нанесены надписи, рисунки, инструкции по пользованию упаковываемым изделием и т.п.

9

При упаковке изделий методом «блистер» (blister – оболочка) пленка лишь приблизительно повторяет форму пакуемого изделия, подчеркивая наиболее характерные черты его конфигурации, а во многих случаях форма упаковки «блистер» вообще не повторяет форму изделия. Пленка формуется методом негативного или позитивного формования в специально изготовленных для этого формах. Упаковываемое изделие закладывается в отформованную пленку. В качестве основания используют либо листовой термопласт, либо ту же пленку, из которой отформована фигурная часть упаковки, либо картон. К этому основанию сваркой или склеиванием прикрепляют отформованную часть пленки с уже содержащимся в ней упаковываемым продуктом. Размер основания превышает размер отформованной полости.

Упаковку типа «скин» рекомендуется применять для твердых изделий, легко выдерживающих давление формования, упаковку типа «блистер» - для мягких изделий и мелких сыпучих товаров.

Контрольные вопросы к лекции

1.Каким образом ориентация термопластов, возникающая при их формовании, влияет на физико-механические показатели изделий?

2.Каким образом осуществляется процесс термоформования?

3.Какими способами может создаваться перепад давления?

4.Каким образам классифицируются способы термоформования?

5.Охарактеризуйте известные Вам типы нагрева.

6.Какие виды зажимных устройств используются для закрепления заготовок?

7.Какие процессы могут быть осуществлены при использовании механического формования?

8.В каком случае целесообразно использовать гидроформование и почему?

9.Какими способами может осуществляться гидроформование?

10.Что такое топформование, с какой целью оно применяется?

11.Что такое свободное формование?

12.Что такое негативное формование?

13.Что такое позитивное формование?

14.Что такое негативно-позитивное формование?

15.Что такое упаковка методом «скин»?

16.Что такое упаковка методом «блистер»?

Лекция №2

Влияние на процесс термоформования основных его технологических параметров

10

Основными технологическими параметрами процесса термоформования листовых термопластов являются:

-температура разогрева листовой заготовки;

-температуры оформляющего инструмента;

-режим охлаждения готового изделия;

-условия проведения вытяжки термопласта;

-рабочий перепад давления и скорость вытяжки материала.

1.Температура разогрева листовой заготовки термопласта

Теоретически температура разогрева листовой заготовки должна лежать внутри интервала температур, при которых данный термопласт находится в высокоэластическом состоянии. Однако на практике интервал для выбора температуры формования гораздо уже, так как невозможно качественно вести процесс как при температуре перехода материала из твердого состояния в высокоэластическое, так и при переходе его из высокоэластического состояния в текучее. Кроме этого, правильный выбор температуры формования позволяет в определенных пределах регулировать механические свойства и разнотолщинность формуемого изделия.

Нагревание термопластичной заготовки занимает ~(50-80)% от общего времени цикла формования изделия. Разогрев заготовок следует вести так, чтобы температура во всех точках их поверхности в любой момент времени была одинакова. Неравномерный разогрев приводит к образованию на изделии складок и морщин, вследствие неравномерной вытяжки, а также возникновению перегретых областей, в местах которых при создании формующего давления происходит прорыв формуемого листа. С целью устранения неравномерности обогрева большинство формовочных машин оборудуется устройствами для позонного регулирования температуры нагревателя.

Влияние теплопроводности термопласта на процесс разогрева заготовок

Термопласты характеризуются малой теплопроводностью. Поверхность заготовки, более близкая к нагревателю, разогревается гораздо быстрее, чем внутренние слои материала. В результате, на поверхности может начаться термическое разложение, а большая часть материала не успеет перейти из стеклообразного состояния в высокоэластическое. Увеличение интенсивности обогрева лишь активизирует поверхностную термодеструкцию термопласта. Поэтому интенсивность обогрева термопласта при вакуумном и пневматическом формовании не превышает обычно (15-20) кВт/м2.

При ведении процесса нагрева должны выполняться следующие условия:

11

1.температура наружной, т.е. обращенной к нагревателю стороны заготовки должна быть меньше или равна максимально допустимой температуре формования данного термопласта (обычно эта температура соответствует температуре текучести);

2.температура внутренней поверхности при одностороннем обогреве или среднего слоя - при двустороннем должна быть больше или равна минимально допустимой температуре формования данного термопласта (температура соответствует точке стеклования).

Волнообразование в процессе нагрева листовой заготовки

При повышении температуры термопласта его жесткость резко уменьшается и напряжения, которые были заложены в материал при производстве листа (например, методом каландрования) и при нормальной температуре не проявлялись, вызывают коробление заготовки, придают ей волнообразную форму.

Так как в период «волнообразования» различные места на поверхности термопласта находятся на разном расстоянии от нагревателя, то происходит неравномерный разогрев заготовки. При дальнейшем увеличении температуры остаточные напряжения постепенно исчезают, и заготовка выравнивается. Однако в различных ее точках из-за плохой теплопроводности термопласта температура может оставаться разной, что приводит к браку при формовании изделий.

Для устранения брака рекомендуются следующие мероприятия:

∙предварительный отжиг заготовок при температуре на (5-10)о С выше температуры стеклования данного термопласта;

∙увеличение расстояния между нагреваемой заготовкой и нагревателем (недостаток – большие потери тепла в окружающую среду);

∙установка экрана между нагреваемой заготовкой и нагревателем. Экран изготавливается из тонкого стального или алюминиевого листа,

внутренняя его поверхность зачерняется, внешняя полируется, он устанавливается строго параллельно заготовкам.

При температурах, лежащих вблизи границы высокоэластического и стеклообразного состояний, в углах изделия часто появляются пятна отбеливания, свидетельствующие об охрупчивании материала. При слишком высоких температурах заготовка либо приобретает слишком большую мягкость и провисает, либо пригорает вследствие термического разложения.

Поэтому в настоящее время при определении времени разогрева

заготовки, температуры нагревательных элементов и расстояния между нагревателем и заготовкой пользуются опытными данными, что объясняется следующими причинами:

- наличием практически неучитываемых конвективных потоков между заготовкой и нагревателями, вызываемых сквозняками в производственных помещениях;

12

- некоторым разбросом физико-механических свойств заготовок, взятых из различных партий.

2. Температура оформляющего инструмента

Различают три разновидности оснастки:

1.формообразующая или оформляющая, т.е. которая придает формуемой заготовке вид готового изделия с помощью вакуума, пневматического или гидравлического давлений;

2.формующая, т.е. которая непосредственно формует заготовку и придает ей вид готового изделия (например, при формовании сопряженными матрицей и пуансоном);

3.вспомогательная – служит для предварительной вытяжки перед формованием или для каких-либо других вспомогательных целей. Изделие не воспроизводит геометрию вспомогательной оснастки.

Температура формообразующей оснастки должна быть обязательно ниже температуры стеклования формуемого термопласта. В противном случае достаточного охлаждения не произойдет, и после снятия формующего давления изделие потеряет полученную им в процессе формования конфигурацию. Чем ниже температура формообразующей оснастки, тем быстрее произойдет охлаждение изделия, уменьшится цикл формования, увеличится производительность.

Однако при заниженной температуре охлаждения может появляться брак

– образование на изделии пятен переохлаждения и появление поперечных морщин.

Температура вспомогательного оформляющего инструмента, служащего для предварительной вытяжки, подбирается таким образом, чтобы:

1.он выполнил свою функцию по перераспределению толщины стенки изделия;

2.не оставлял пятен переохлаждения.

3.Режим охлаждения готового изделия

Скорость охлаждения зависит от теплопроводности термопласта и толщины заготовки.

Для интенсификации процесса охлаждения изделий, на которые не наложены ограничения по величине остаточных напряжений (например, для мелкой тары одноразового использования), можно применять дополнительное воздушное охлаждение. Для этого формовочные машины снабжаются воздушными пистолетами или вентиляторами. С этой же целью применяется охлаждение водяным туманом, получаемым из специальных инжекторов.

13

4. Условия проведения вытяжки термопласта

От величины и условий проведения вытяжки термопласта зависят механические свойства изделия и стабильность его размеров.

Зависимость свойств материала от его вытяжки вынуждает придавать изделию такую форму, при которой разность вытяжки по взаимноперпендикулярным направлениям не будет превышать (50-60) %. В противном случае, изделие на отдельных своих участках будет обладать различными свойствами, что в итоге ухудшит его качество.

Рациональную глубину вытяжки определяют в зависимости от способа формования и природы материала.

5. Рабочий перепад давления и скорость вытяжки

Перепад давления определяется:

1.толщиной и природой заготовки;

2.сложностью конфигурации изделия;

3.допустимыми пределами скорости вытяжки данного термопласта.

При производстве изделий простой формы (не имеющих сложных переходов, мелких тиснений на поверхности) при отношении глубины вытяжки к его диаметру (H/D) не более 0,5 и толщине исходной заготовки до 5 мм рекомендуется применять вакуумное формование – рабочий перепад давления до 0,1 МПа.

Для более толстых листов рекомендуется пневматическое формование с давлением до 2,5 МПа.

Для получения глубоких изделий или сложных тиснений на их поверхности требуется применение повышенных давлений (от 3 до 5 МПа).

При большой глубине вытяжки скорость формования должна быть несколько ниже, чем при формовании неглубоких изделий, так как при большой вытяжке высокие скорости могут привести к разрыву заготовки.

Таким образом, скорость вытяжки определяется толщиной листа, его температурой и подаваемым давлением формования. Замедленная вытяжка приводит к преждевременному охлаждению и растрескиванию материала, а при слишком быстрой вытяжке может произойти разрыв заготовки или ее чрезмерное утонение на местах углублений и на ребрах изделий.

Контрольные вопросы к лекции

1.Каковы основные технологические параметры процесса термоформования?

2.Каким образом производится выбор оптимального интервала температур разогрева термопластов?

3.Какие явления происходят при выходе за пределы оптимального интервала температур термоформования?'

14

4.Какие температуры должны иметь внешняя и внутренняя стороны заготовки?

5.Каковы последствия неравномерного разогрева заготовки и способы его устранения?

6.Каково влияние теплопроводности термопласта на процесс нагрева заготовок?

7.Каковы причины возникновения «волнообразования»?

8.Какие мероприятия рекомендуется использовать для устранения брака

ввиде коробления?

9.Каким образом производится определение оптимальной скорости разогрева заготовки и температуры нагревателя?

10.Какие разновидности оснастки Вы знаете?

11.Каким образом подбирается температура формообразующей и вспомогательной оснастки?

12.Чем обусловлен выбор формы формуемого изделия.

13.Чем определяется величина перепада давлений при формовании изделий?

14.Какова связь между скоростью формования и глубиной вытяжки?

15.Чем определяется скорость вытяжки?

Лекция №3

Аппаратурное оформление процесса термоформования

Основными параметрами термоформовочных машин принято считать максимальный размер их зажимных устройств и наибольшую глубину формования.

Все выпускаемые в настоящее время машины можно классифицировать следующим образом:

1.По методу формования:

- вакуумформовочные; - пневмоформовочные;

- для механического формования; - для формования комбинированными методами.

2.По виду управления:

-с ручным управлением;

-с полуавтоматическим управлением;

-с автоматическим управлением.

3. По назначению:

15

-универсальные;

-специализированные;

-комбинированные.

4.По числу позиций:

- однопозиционные; - многопозиционные с однородными позициями;

- многопозиционные с позициями различного назначения.

5.По траектории движения перерабатываемого материала:

- карусельного типа; - барабанного типа; - ленточного типа.

6.По комплектации оборудования:

-с вырубными устройствами;

-со сварочными устройствами;

-с устройствами для заполнения отформованной тары;

-с устройствами для формования крышек к формуемой таре;

-с устройствами для закупорки отформованной тары;

-устройства для нанесения печати на изделия;

-с устройствами для подачи и закрепления мерных заготовок;

-с устройствами для съема, ориентации и упаковки изделий.

7. По виду заготовок или организации питания:

-для формования заготовок определенного размера (мерных заготовок);

-для формования рулонных материалов;

-с питанием непосредственно от каландра или экструдера;

-с питанием непосредственно от литьевого формования;

-для топформования.

Классификация по виду управления

Вмашинах с ручным управлением сигналы на выполнение всех операций подает оператор формовочной машины. Вручную производят укладку заготовок и съем готовых изделий.

Вполуавтоматических машинах вручную укладывают лист и

извлекают отформованное изделие. Все остальные операции осуществляются автоматически по заранее заданному режиму.

На автоматических машинах все операции, включая установку и съем готового изделия, синхронизированы и производятся автоматически без вмешательства формовщика.

Классификация по числу позиций

1. Однопозиционные машины

16

Однопозиционные машины представляют собой машины для формования, на которых все технологические операции осуществляются на одном и том же участке агрегата. Чаще всего эти машины бывают универсальными с ручным или полуавтоматическим управлением, питаются, как правило, листовыми мерными заготовками.

Принципиальная схема однопозиционной вакуумформовочной машины с ручным управлением приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Схема однопозиционной вакуумформовочной машины с ручным управлением

На станине 2 каркасного типа устанавливается матрица 1. Над матрицей неподвижно смонтирована нижняя часть зажимной рамы 3, на которой с помощью верхней подвижной части 4 укрепляется листовая заготовка 5. Над заготовкой размещен нагреватель 6, положение которого по высоте можно регулировать. Для удобства обслуживания при установке заготовки и съеме готового изделия нагреватель отводится в сторону.

В процессе работы на машине формовщик приподнимает подвижную часть зажимной рамы, укладывают на ее неподвижную часть заготовку, опускает подвижную часть и прижимает заготовку винтовым или кулачковым запором. Затем устанавливает нагреватель в рабочее положение.

Когда разогрев заготовки окончен, формовщик нажатием кнопки или переключением тумблера подает команду на подъем матрицы.

Поднимаясь, матрица занимает положение, при котором ее верхняя кромка соприкасается с разогретым термопластом и останавливается на упорах нижней части зажимной рамы. После этого формовщик производит включение органа машины, создающего формующий перепад давления, в данном случае соединяет матрицу с вакуумной системой. Как только окончится процесс оформления, формовщик отводит нагреватель, и начинается охлаждение готового изделия. Далее формовщик опускает вниз матрицу, готовое изделие, оставшееся в зажимной раме, извлекается и на его место устанавливается новая заготовка.

2. Многопозиционные машины с однородными позициями

17

Эти машины отличаются тем, что технологические операции осуществляются одновременно на различных участках агрегатов. Так как термопласты являются плохими проводниками теплоты, то разогрев заготовок протекает очень медленно. В связи с этим с целью увеличения производительности формующего оборудования выпускаются двухпозиционные пневмовакуумформовочные машины, снабженные двумя формующими устройствами и одним нагревателем. Нагреватель горизонтально перемещается от одного формующего устройства к другому, так что во время формования, охлаждения, съема изделия и закрепления заготовки можно производить нагрев заготовки в другой позиции.

Большинство двухпозиционных машин работает в полуавтоматическом режиме.

Принципиальная схема двухпозиционной вакуумформовочной машины приведена на рис. 3.2.

Двухпозиционная вакуумформовочная машина состоит из системы создания вакуума с ресивером 6, двух механизмов подъема стола 1, двух комплектов оформляющего инструмента 2, двух зажимных устройств 3 и одного нагревателя 5. Некоторые машины снабжаются верхними пуансонами 4, предназначенными для предварительной механической вытяжки при негативном формовании.

Рис. 3.2 Схема двухпозиционной вакуумформовочной машины

3. Многопозиционные машины с позициями различного назначения

18

Такие машины получили наибольшее распространение, что связано с их высокой производительностью и с возможностью осуществления на них полуавтоматического и автоматического циклов.

Классификация по траектории движения перерабатываемого материала

3.1 Термоформовочные машины карусельного типа

Для переработки толстостенных материалов чаще всего применяют карусельные машины. Перерабатываемый материал (мерные заготовки) совершает круговое циклическое передвижение от позиции к позиции.

Простейшая машина карусельного типа – двухпозиционная. На диаметрально противоположных сторонах вращающегося ротора закреплены две зажимные рамы. Пока на одной из позиций происходит формование изделия, его охлаждение, съем и укладка новой заготовки, на второй позиции лист нагревается.

Наиболее распространенными являются трехпозиционные карусельные машины. Машина состоит из ротора с укрепленными на нем тремя зажимными рамами, формующей камеры, нагревателя и легкой сварной станины. Формовщик на 1 позиции закладывает в зажимную раму заготовку и дает команду на ее зажим. Через определенное время ротор поворачивается на 1200, а заготовка попадает на вторую позицию, в которой она разогревается. После следующего поворота на 1200 нагретая заготовка оказывается на третьей позиции, на которой происходит формование и охлаждение изделия. При очередном повороте ротора готовое изделие приходит на первую позицию, где оператор снимает готовое изделие и закладывает новую заготовку.

Существуют также четырехпозиционные машины. В этих машинах позиция разогрева разделена на две – предварительного и окончательного разогрева. На роторе машины закреплены четыре зажимные рамы. Ротор поворачивается на 900, и заготовка перемещается с позиции загрузки на позицию подогрева, а на загрузку подается следующая заготовка. Следующим движением ротора заготовка перемещается в позицию окончательного нагрева. Термопласт нагревается до высокоэластического состояния и после очередного поворота ротора подается на формование. В этой же позиции осуществляется охлаждение отформованного изделия. Съем изделия осуществляется в той же позиции, где производится укладка заготовки. Машины этого типа предназначены для формования крупногабаритных изделий из листовых заготовок толщиной (2-15) мм. Все машины карусельного типа работают в полуавтоматическом режиме и для работы с рулонными материалами не приспособлены.

Контрольные вопросы к лекции

19

1.Каким образом классифицируются формовочные машины?

2.В чем сущность классификации формовочных машин по виду управления?

3.Каков принцип работы однопозиционной формовочной машины?

4.В чем заключается принцип работы многопозиционной машины с однородными позициями?

5.По какому принципу работает многопозиционная машина с позициями различного назначения?

6.Каким образом работают двухпозиционные «карусельные» машины?

7.Каким образом работают трехпозиционные «карусельные» машины?

8.Каким образом работают четырехпозиционные «карусельные» машины?

Лекция №4

Аппаратурное оформление процесса термоформования (продолжение)

3.2 Формовочные машины ленточного типа

Такие машины предназначены для формования изделий из рулонных материалов.

Агрегат ленточного типа работает по следующей схеме (рис.4.1).

Смеханизма размотки рулонного материала 1 лента термопласта попадает

взону нагрева 2, останавливается и находится там в течение определенного времени. Затем с помощью шагового механизма протяжки 5 нагретый участок ленты попадает в узел формования горизонтального типа 3, в котором происходит оформление изделий (чаще всего, в многогнездной форме) и их охлаждение. После окончания формования матрица и пуансон разводятся с помощью пневмоцилиндров, а участок ленты вместе с отформованными в нем изделиями (чаще всего, мелкой тарой) подается под лоток дозатора 4. Тара заполняется жидким или сыпучим продуктом.

20

Рис. 4.1 Схема машины для производства мелкой тары, ее заполнения и укупорки с узлом формования горизонтального типа.

Следующим ходом механизма протяжки заполненная тара попадает в механизм заварки 6, где к ней в качестве крышки приваривается слой фольги, дублированной полимерной пленкой. Как правило, в этих узлах используется метод термоимпульсной сварки. На следующей позиции происходит вырубка готовых упаковок из ленты термопласта 7. При этом упаковка попадает на ленту транспортера 8 и оттуда в приемный бункер, перфорированная лента термопласта сматывается в рулон механизмом намотки отходов 9.

Иногда укупорка мелкой тары производится не заваркой фольгой, а с помощью формованных крышек. В этом случае автомат, дополнительно комплектуется узлом формования крышек.

Машины ленточного типа работают в автоматической режиме и очень производительны.

3.3 Формовочные машины ротационного типа

Часто в автоматах для формования мелкой тары с последу-ющим заполнением и укупоркой применяется узел вакуумного формования ротационного типа. Это позволяет дискретное движение формуемой ленты (машины ленточного типа) заменить непрерывным. Схема такого агрегата приведена на рис.4.2.

Такой агрегат состоит из узла размотки 1 ленты термопласта 2, вращающегося ротора с формующими гнездами 3, нагревателя 4, охлаждающего устройства 6, направляющего устройства 5, дозатора 7, устройства 8 для размотки фольги, прижимного ролика 9, узла сварки или склеивания 10, вырубного устройства 11, направляющего лотка (или транспортера) 12 и устройства для сбора остатков ленты.

Рис. 4.2 Схема машины для производства мелкой тары, ее заполнения и укупорки с узлом формования ротационного типа.

Машины с узлами формования ротационного типа применяется и для механического формования изделий.

21

Для получения рельефного рисунка на термопластичных пленках используются специальные ротационные машины барабанного типа (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Схема барабанной машины для нанесения рельефного рисунка на полимерную пленку.

Принцип действия такой машины следующий. Пленка сматывается с рулона 1 и через систему направляющих валков 2 попадает на формовочный барабан 5, проходит под нагревателем 3, формуется на тканой подложке 4 как на форме и, пройдя через систему направляющих роликов 6 и охлаждающий барабан 8, сматывается в рулон 7. В качестве тканой подложки используется тюль или полотно с вышивкой гладью или ришелье.

3.4 Термоформовочные машины для изготовления упаковки типа «скин» и «блистер"

Такие машины обычно работают в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Схема такой машины показана на рис.4.4.

Рис.4.4 Полуавтомат для производства упаковки типа «блистер»

Пленка разматывается с рулона протяжным механизмом 1 и поступает в зону инфракрасного излучения 2; после нагрева пленки до высокоэластического состояния она поступает на позицию формования.

22

Формование производится сжатым воздухом с предварительной механической вытяжкой в позиции 3. Затем на позиции 4 производится вырубка «блистера» из полотна пленки, и пленочная часть упаковки механизмом 5 подается на ротор. На роторе в позиции 6 «блистер» точно устанавливается и подается на позиции 7, одна из которых предназначена для ручного заполнения упаковки,

а другая – для автоматического (работает либо одна, либо другая). На заполненную заготовку в позиции 8 подается картонная или полимерная подкладка, которая в позиции 9 сваривается или склеивается с пленочной частью упаковки и на позиции 10 сталкивается с ротора.

Процесс формования изделий на всех видах рассмотренного оборудования связан с двойными энергетическими затратами. При получении листов и пленки методом экструзии или вальцевания они выходят из перерабатывающей машины разогретыми до температуры высокоэластического состояния. Затем листы и пленка на специальных устройствах охлаждаются, упаковываются и транспортируются на формование. А в процессе формования вновь затрачивается энергия на их разогрев до высокоэластического состояния.

Это противоречие ликвидируется при применении автоматических линий, в состав которых входят вальцы или экструдер, производящие листовой материал, и формовочная машина (чаще всего многопозиционная ленточного типа).

Контрольные вопросы к лекции

1.Каково назначение и принцип работы формовочных машин ленточного

типа?

2.Назначение и принцип работы формовочных машин ротационного

типа?

3.Сравнительная характеристика двухпозиционной формовочной машины с однородными позициями и двухпозиционной «карусельной» машины.

4.Принцип работы агрегатов для изготовления упаковки типа «скин» и «блистер»?

Лекция №5

Метод холодного формования полимерных термопластичных материалов

Этот метод заключается в формовании объемных изделий из листовых термопластов, находящихся в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Метод по сравнению с термоформованием, является более новым: он впервые нашел промышленное применение лишь в конце 60-х – начале 70- х годов.

23

Холодное формование осуществляется при температуре заготовки ниже температуры стеклования (для аморфных полимеров) или ниже температуры начала плавления кристаллов (для кристаллических полимеров).

Согласно этому методу заготовка при комнатной температуре или нагретая до температуры на (20-40)0С ниже температуры стеклования (температуры начала плавления кристаллов) закрепляется подвижно по контуру в зажимном устройстве над матрицей, а затем формуется путем приложения механического давления специальным пуансоном.

Таким образом, в отличие от термоформования, при холодном формовании:

1.полностью отсутствует стадия охлаждения готового изделия;

2.существенно сокращена или исключена совсем стадия нагрева заготовки;

3.метод позволяет получать изделия со значительно меньшей разнотолщинностью;

4.метод дает возможность перерабатывать материалы, которые плохо или вообще не перерабатываются термоформованием.

Разновидности метода холодного формования классифицируются следующим образом:

1.по характеру деформаций, возникающих в материале заготовки при ее вытяжке в объемное изделие;

2.по способу прижима заготовки;

3.по температурному режиму процесса;

4.по типу применяемой для вытяжки технологической оснастки.

1. По характеру деформаций, возникающих в листовом термопласте, различают три способа:

∙радиальную вытяжку;

∙вытяжку с утонением (калиброванием) стенки;

∙комбинированную вытяжку.

Радиальная вытяжка –

это процесс формообразования, при котором заготовка как бы протягивается через матрицу подвижным пуансоном. При этом внутренний диаметр матрицы больше суммы двух толщин исходной заготовки и наружного диаметра пуансона: Dм>2δ + Dп.

При термоформовании материал, находящийся в зажимном устройстве, в образовании изделия не участвует.

При холодном формовании имеют место иные явления. Для их пояснения

заготовку условно подразделяют на две части:

-центральную – находящуюся над отверстием матрицы;

-фланцевую – находящуюся под прижимным кольцом.

24

При холодной радиальной вытяжке центральная часть заготовки (то есть находящаяся в зазоре между пуансоном и матрицей) практически не деформируется. Весь процесс превращения плоской заготовки в объемное изделие происходит за счет деформирования фланцевой части заготовки, а также зоны втягивания термопласта в зазор между пунсоном и матрицей.

Вытяжка с калиброванием стенки

используется в том случае, когда следует получить более глубокие изделия. При этом используют не плоскую заготовку, а полуфабрикат, полученный способом радиальной вытяжки. Весь процесс в этом случае направлен на то, чтобы увеличить глубину изделия за счет утонения его боковой стенки. Объем материала, находящегося в этой стенке, остается постоянным, она увеличивается в длину, и при этом становится тоньше. Для осуществления такого преобразования необходимо, чтобы зазор между матрицей и пуансоном был меньше, чем толщина боковой стенки у заготовкиполуфабриката: Dм<2δ + Dп.

Таким образом, при вытяжке с утонением стенки очаг деформации находится на входе полимера в зазор и в самом зазоре между пуансоном и матрицей.

Комбинированная вытяжка

совмещает вытяжку с утонением стенки и радиальную вытяжку. Формоизменение заготовки в этом случае происходит за счет очагов деформации, расположенных как во фланцевой части заготовки, так и в части заготовки, протягивающейся в зазоре между пуансоном и матрицей. При комбинированной вытяжке выдерживается условие: Dм≤2δ + Dп.

2. Холодное формование листовых термопластов может проводиться как с прижимом заготовки, так и без него.

Радиальная и комбинированная вытяжки осуществляются преимущественно при наличии прижима, который обеспечивает устойчивость деформирования заготовки и как бы разглаживает образующиеся в ее фланцевой части складки. Поэтому иногда прижимные

устройства, используемые в холодной вытяжке из листов полимеров, называют складкодержателями.

Прижим заготовки может быть обеспечен в основном двумя способами:

1.с постоянным зазором между торцом матрицы и прижимным устройством (рис.5.1-а);

2.с применением подвижного в момент вытяжки прижима (например, подпружиненного) (рис.5.1-б).

25

Рис. 5.1-а Рис. 5.1-б

(Qп – усилие прижима; Q – усилие формования)

3.Температурный режим процесса

Влияние температуры предварительного разогрева заготовки на процесс формования

Температура предварительного разогрева материала оказывает влияние на качество готовых изделий. Чем выше температура подогрева, тем точнее будет соответствие наружного диаметра отформованного изделия внутреннему диаметру матрицы. Отклонения объясняются тем, что при деформации термопласта в процессе холодной вытяжки в материале накапливается значительная часть упругой деформации, вызывающая при извлечении изделий из матрицы их «пружинение». Пружинение проявляется в изменении периметра поперечного сечения изделия по сравнению с поперечным сечением матрицы. Это изменение равно нулю около днища изделия и увеличивается по мере приближения к верхней его части. Так, изделие, отформованное в цилиндрической матрице, приобретает форму усеченного конуса с меньшим основанием в его верхней части и большим – у днища.

Изменение формы изделий продолжается в зависимости от температуры переработки от нескольких минут до нескольких суток.

С повышением температуры предварительного разогрева заготовок пружинение уменьшается как при формовании образцов без утонения стенок, так и с утонением. Абсолютная величина пружинения в последнем случае в два раза меньше, чем в первом.

Размер зазора между пунсоном и матрицей также влияет на пружинение изделий. С увеличением зазора пружинение возрастает как при формовании без утонения боковых стенок, так и с их утонением.

Существует еще одна особенность нагрева заготовок для холодной вытяжки. В процессе формования центральная часть заготовки, находящаяся до начала формования над зеркалом матрицы, практически не деформируется, образуя плоское днище изделия. В этом случае нет необходимости в нагреве всего объема заготовки. Имеет смысл нагрев ее фланцевой части. Это обстоятельство используется в некоторых конструкциях технологической оснастки, в которой предусматриваются нагреватели во фланцевой части матрицы. В этом случае на разогрев

26

середины заготовки энергия не затрачивается. Однако из-за низкой теплопроводности термопластов такой контактный нагрев фланцевой части заготовки довольно продолжителен и существенно увеличивает цикл формования. Он может быть рекомендован при производстве единичных изделий. При серийном производстве целесообразнее вести нагрев вне вытяжного пресса.

4. Тип применяемой для вытяжки технологической оснастки

Холодное формование может осуществляться либо через протяжное кольцо, либо в матрицу с днищем (рис.5.2).

Рис. 5.2 Схема холодного формования листовых термопластов через протяжное кольцо (а) и в матрицу с днищем (б):

1 – пуансон; 2 – протяжное кольцо; 3 – матрица; 4 – изделие; 5– складкодержатель.

Контрольные вопросы к лекции

1. . Сущность метода холодного формования.

2.Технология получения изделий методом холодного формования.

3.Отличия и преимущества холодного формования по сравнению с термоформованием термопластов.

4.Общая классификация методов холодного формования.

5.Классификация методов холодного формования по характеру деформации в листовом термопласте.

6.Технологические способы осуществления холодного формования (схемы).

7.Сущность радиальной вытяжки и особенности условного деления заготовки для холодного формования на части.

8.Деформационные явления в различных частях заготовки при холодном формовании.

9.Сущность вытяжки с калиброванием стенки (утонением).

10.Комбинированная вытяжка.

11.Разновидности прижимных устройств.

12.Пружинение и причины его возникновения.

13.Основные факторы, определяющие величину пружинения.

14.Особенности нагрева заготовок для холодного формования.

27

Лекция №6

Технологические особенности метода холодного формования термопластов

Способность материалов к переработке этим методом определяется

предельным коэффициентом вытяжки.

При радиальной вытяжке предельный коэффициент вытяжки равен

отношению начального диаметра заготовки к диаметру вытягиваемого изделия (рис.6.1-а).

При вытяжке с калиброванием стенки – отношению толщины заготовки к толщине боковой стенки изделия (рис.6.1-б).

Рис. 6.1 Способы холодного формования термопластов: а) радиальная вытяжка; б) вытяжка с утонением (калиброванием стенки).

δ – толщина заготовки; Dп – диаметр пуансона; D – диаметр заготовки; Dм – диаметр матрицы; Qп – усилие прижима; Q – усилие формования.

Теоретически значение предельного коэффициента вытяжки не может превышать 2,72. В производственных условиях при проведении процесса с нагревом заготовок предельный коэффициент вытяжки обычно не превышает 2, при осуществлении процесса без предварительного подогрева заготовки значение его не превышает 1,4-1,6.

Повышение температуры предварительного разогрева заготовки не всегда приводит к увеличению коэффициента вытяжки.

При приближении температуры разогрева к температуре перехода термопласта из твердого состояния в высокоэластическое склонность материала к глубокой вытяжке сразу же ухудшается, так как при этих температурах в боковой стенке формуемого изделия в момент вытяжки

28

происходит резкое утонение (то есть образование шейки). Это явление приводит к разрыву термопласта и не дает возможности получить изделие с высоким коэффициентом вытяжки.

Разнотолщинность изделий, получаемых методом холодного формования

невелика, но все же при радиальной вытяжке боковую стенку нельзя считать абсолютно равнотолщинной.

Это явление может иметь следующее объяснение.

Во внутренней части фланца диаметр заготовки меньше и близок к диаметру матрицы. По мере приближения к наружному периметру заготовки

еедиаметр все время возрастает.

Вслучае процесса вытяжки, происходящем без прижима заготовки, при проталкивании пуансоном заготовки в матрицу сначала она будет легко в нее погружаться и слегка при этом растягиваться, чтобы образовать цилиндрическую поверхность. Таким образом получается участок боковой стенки изделия с толщиной меньшей, чем исходная заготовка. Однако постепенно в процесс вытяжки будут вовлекаться участки фланцевой части заготовки все с большим и большим диаметром. Площадь заготовки, вовлекаемой в процесс формования из фланца, постепенно превысит вновь образовываемую площадь боковых стенок изделия. При отсутствии прижима это приводит к образованию во фланце заготовки радиальных складок, которые будут расти по мере дальнейшей вытяжки материала, что приводит к браку изделия.

Поэтому чаще процесс ведут с применением прижима (складкодержателя). Под прижимом также возникает избыток материала, но проявиться в виде складок он не может. Происходит сжатие заготовки, а, следовательно, ее утолщение. Постепенно эта утолщенная часть заготовки также вовлекается в матрицу и образует участок боковой стенки с толщиной несколько большей, чем толщина исходной заготовки, то есть по мере удаления от днища толщина стенки сначала убывает, а затем начинает возрастать, и постепенно стенка становится несколько толще, чем исходная заготовка.

Температура формуемой заготовки определяет разницу в толщине самого тонкого и самого толстого участков стенки. С увеличением температуры уменьшается сопротивление деформированию материала, а это способствует уменьшению толщины боковой стенки в нижней части изделия. Зависит разнотолщинность изделия и от глубины холодной вытяжки.

Энергозатраты оборудования для холодной вытяжки

складываются из трех видов затрат:

29

1.на создание формующего усилия;

2.на создание усилия прижима заготовки;

3.на нагрев заготовки.

Очевидно, при применении вытяжки заготовок при комнатной температуре можно исключить затраты энергии на нагрев термопласта, что даст большую экономию. Однако, на практике это не так.

Во-первых, нагрев заготовок приводит к определенному снижению ее сопротивления деформированию, что позволяет понизить формующее усилие.

Во-вторых, с повышением температуры заготовки понижается минимально необходимое усилие прижима.

В-третьих, так как усилие вытяжки прямо пропорционально зависит от усилия прижима, то снижая усилие прижима, можно снизить усилие вытяжки.

Кроме этого, понизить усилие вытяжки возможно, уменьшая коэффициент трения между термопластом и формующей оснасткой путем смазки формующего инструмента и заготовки.

Сравнительная характеристика изделий, полученных термоформованием и методом холодного формования

может быть дана по следующим параметрам:

-разнотолщинности;

-формоустойчивости в процессе эксплуатации.

1.При термоформовании недостаток разнотолщинности заложен в самой природе этого метода и применение того или иного способа формования или технологического приема позволяет лишь в известных пределах уменьшить разнотолщинность.

При холодном формовании можно не только получить изделие равнотолщинное (например, при комбинированной вытяжке), но и формовать изделия со ступенчатыми переходами в толщине стенки (такую возможность дает вытяжка с калиброванием стенки, выполненная за несколько переходов).

2.Существенные различия наблюдаются в поведении изделий, полученных различными методами, при их эксплуатации.

В процессе эксплуатации изделия могут подвергаться воздействию повышенных температур, что приводит к появлению брака в виде коробления. Это явление наблюдается в изделиях, полученных, как методом термоформования, так и холодным формованием, однако характер его существенно различается.

Термоформованные изделия под действием повышенной температуры

начинают уменьшаться в размерах в тех местах, где термопласт при формовании испытывал наибольшую деформацию. Например, цилиндрическое изделие с большой глубиной вытяжки после помещения его в зону действия какого-либо источника теплоты начнет уменьшаться по

30

высоте. Причем, если температура будет достаточно высока, а время воздействия достаточно продолжительно, то изделие превратится в гладкий лист, лишь в середине которого останутся неровности и морщины. Подобный эффект можно получить лишь при температуре, соответствующей высокоэластическому состоянию термопласта, из которого было отформовано изделие. Очевидно, что при таких температурах изделие эксплуатироваться не может. Однако и при более низких температурах эффект коробления будет наблюдаться, хотя и не в таких значительных размерах.

Коробление изделий, полученных холодной вытяжкой, проявляется в виде пружинения. При этом изменения линейных размеров изделия в направлении вытяжки практически не происходит.

Кроме этого, существенное отличие метода холодного формования –

возможность производства изделий из листовых термопластов, дублированных ткаными и неткаными волокнистыми материалами.

Изделия из таких листов получаются наиболее прочными, наименее подвержены короблению при эксплуатации и, что особенно важно для изделий из полиэтилена и полипропилена, могут с помощью клеев соединяться с другими изделиями. Наилучшие результаты получаются при формовании листов, дублированных неткаными материалами или ткаными трикотажного плетения.

Контрольные вопросы к лекции

1.Предельный коэффициент вытяжки для радиальной вытяжки.

2.Предельный коэффициент вытяжки для вытяжки с калиброванием стенки.

3.Влияние температуры на значение предельного коэффициента вытяжки.

4.Причины возникновения разнотолщинности изделий, полученных холодным формованием.

5.Природа разнотолщинности в случае холодного формования без прижимного устройства.

6.Природа разнотолщинности в случае холодного формования при наличии прижимного устройства.

7.Факторы, влияющие на величину разнотолщинности.

8.Энергозатраты оборудования при холодной вытяжке.

9.Отличие процесса термоформования от холодного формования с точки зрения разнотолщинности получаемых изделий.

10.Отличие процессов термоформования и холодного формования по формоустойчивости изделий в процессе эксплуатации.

11.Преимущество метода холодного формования по сравнению с термоформованием с точки зрения возможностей его использования.

31

Лекция №7

Аппаратурное оформление процесса холодного формования термопластов

Холодное формование (или вытяжка) листовых термопластов в объемные изделия осуществляется либо на прессах, предназначенных для листовой штамповки металла, либо на специализированных вытяжных прессах (номинальное усилие прессов от 1000 до 2000 кН).

При использовании прессов для листовой штамповки металлов выбирают прессы с небольшими рабочими скоростями (2-15 мм/с). Прессы снабжают технологической оснасткой, которая имеет нагреватели, необходимые для поддержания необходимой температуры листа в ее фланцевой части.

По характеру привода вытяжные прессы подразделяются на:

∙гидравлические;

∙пневматические;

∙механические.

Так как для штамповки металлов используются небольшие скорости, то часто предпочтение отдается гидравлическим прессам. Однако это не исключает применение других конструкций. Например, при формовании с использованием подвижного складкодержателя (прижима заготовки при помощи пружин, резины или пневматической подушки) часто используются кривошипные прессы для листовой штамповки металла.

Прессы для холодной вытяжки листов по сравнению с прессами другого назначения имеют значительно большее в плане межштамповое пространство, необходимое для осуществления вытяжки из заготовок большого размера. Прессы для глубокой вытяжки характеризуются большим ходом подвижной плиты.

Гидравлические и механические вытяжные прессы могут быть простого, двойного и тройного действия (рис. 7.1).

Рис. 7.1 Схема холодного формования на прессах простого (а), двойного (б) и тройного (в) действия

32

Прессы простого действия осуществляют вытяжку без прижима заготовки.

Прессы двойного действия снабжены рабочими органами, обеспечивающими прижим заготовки, причем перемещение прижима и пуансона может осуществляться как совместно, так и по отдельности.

Прессы тройного действия имеют одну или несколько вытяжных подушек, работающих от отдельного привода, не связанного с главным приводом движения подвижной плиты.

Вытяжка с помощью резиновой подушки

Для производства изделий относительно простой конфигурации и с неглубокой вытяжкой можно использовать прессы для штамповки резиновой подушкой (рис. 7.2).

Рис. 7.2 Схема холодного формования резиновой подушкой

Резиновая подушка 1 (твердость 50-60 ед. по Шору), зажатая в металлической обойме 2, надавливая на заготовки, лежащие на штампах 4, осуществляет деформацию листа, который принимает форму готового изделия 3. Штампы (в данном случае может использоваться одновременно несколько) устанавливают на столе 5, который для этой цели выдвигается из пресса.

Для увеличения производительности подобные прессы имеют несколько выдвижных столов (до шести), связанных между собой системой блокировки. Когда изделия штампуются на одном столе, на других оператор расставляет штампы и размещает заготовки.

Одновременное использование штамповки для изделий разной конфигурации возможно лишь при приблизительно одинаковой глубине вытяжки этих изделий.

Прессы для штамповки изделий резиновой подушкой по конструкции значительно проще остальных, так как отпадает необходимость в листодержателе, уменьшается стоимость инструмента, а его установка и подача заготовок значительно упрощаются. В результате изготовление

33

изделий таким способом становится экономически целесообразным даже при производстве небольших партий.

Прессы для штамповки изделий резиновой подушкой характеризуются небольшим рабочим ходом и невысокой скоростью движения подвижной плиты.

Гидравлическая вытяжка

Вытяжке с помощью резиновой подушки близка так называемая

гидравлическая вытяжка, то есть процесс, при котором полимерная листовая заготовка деформируется под действием жидкости. При этом заготовка приобретает форму, ограниченную либо жесткой матрицей (жидкость играет роль пуансона), либо жестким пуансоном. В этом случае жидкая среда служит матрицей.

Гидравлическая вытяжка может осуществляться с малым ходом подвижной плиты или вообще без хода.

При использовании для гидравлической вытяжки прессов давление формования чаще всего создается за счет движения подвижной плиты самого пресса.

Иногда вместо пресса может быть использована жесткая рама. Необходимое давление жидкости при этом создается специальным насосом.

Имеются вытяжные прессы, способные осуществлять комбинированный процесс, в котором вытяжка резиновой подушкой сочетается с гидравлической. Жидкость, заключенная в специальном контейнере, передает давление на резиновую диафрагму, которая, воздействуя на заготовку, деформирует ее по пуансону.

Контрольные вопросы к лекции

1.Основное оборудование, используемое для холодного формования.

2.Классификация вытяжных прессов по характеру привода, их характеристика.

3.Классификация вытяжных прессов по принципу действия, их характеристика.

4.Особенности метода холодного формования резиновой подушкой.

Схема.

5.Какие изделия получают методом холодного формования резиновой подушкой?

5.Преимущества метода формования резиновой подушкой.

6.Какое условие необходимо соблюдать при осуществлении одновременной штамповки изделий разной конфигурации методом холодного формования резиновой подушкой?

6.Сущность метода гидравлической вытяжки.

7.Сущность метода, комбинирующего гидравлическую вытяжку и вытяжку резиновой подушкой.

34

Лекция №8

Формование резинотехнических изделий

Физические основы процесса в данном случае совсем иные, чем при переработке термопластов.

Во-первых, в отличие от термопластов невулканизованная (сырая) резиновая смесь обладает пластическими свойствами при комнатной температуре. Поэтому при формовании резиновых заготовок нет необходимости в проведении их специального нагрева. Напротив, нагрев резиновой смеси свыше определенной температуры может вызвать начало процесса подвулканизации каучука. А это, в свою очередь, приведет к частичной потере смесью пластичности и приобретению упругих свойств.

Во-вторых, чтобы зафиксировать форму отформованного изделия, необходимо не охлаждать его, как это делается при термоформовании, а, наоборот, нагревать. Ведь при нагревании резиновой смеси пойдет процесс вулканизации – образование «серных» мостиков между линейными макромолекулами каучука. Изменение молекулярной структуры влечет за собой изменение физико-механических показателей всей резиновой смеси, она становится упругоэластичной, повышается ее прочность, твердость и пр.

Несмотря на эти существенные различия, внешне процесс формования РТИ идентичен процессу формования термопластов при термоформовании, хотя сырые резиновые смеси и нагретый до высокоэластического состояния термопласт характеризуются различной зависимостью деформации от прикладываемого к ним усилия.

В настоящее время применяется лишь пневмовакуумный способ

формования листовых заготовок резиновых смесей.

Процесс осуществляется следующим образом.

На формующий инструмент укладывают мерные заготовки, которые предварительно не подогреваются. Однако в условиях серийного производства за время, предшествующее очередному циклу формования, форма разогревается. И эта аккумулированная формой теплота передается заготовке и немного подогревает ее. Так как в данном случае температура нагрева резиновой смеси невысока, а ее воздействие на резину кратковременно, то подвулканизации не происходит. Напротив, за счет подогрева смесь становится пластичнее, что позволяет получать изделие более глубокие и лучшего качества.

По типу крепления заготовки можно выделить две разновидности:

1.когда ведется процесс формования неглубоких изделий, специальные зажимные устройства не используются;

2.при глубокой вытяжке – процесс ведется с их применением.

35

После установки заготовки над формой за счет разрежения или подачи сжатого воздуха создается формующий перепад давления (порядка 67-80 кПа). Происходит формование, и сырая заготовка приобретает форму готового изделия.

Следует отметить, что вследствие гораздо большей пластичности резиновой смеси по сравнению с термопластами, для формования РТИ необходимы значительно более низкие давления. В то же время в резиновых смесях при существенно меньших деформациях, чем при формовании термопластов, может начаться процесс потери устойчивости (образование шейки), а это неминуемо приводит либо к заранее не предусматриваемому локальному утонению стенки изделия, либо к разрыву заготовки.

В связи с этим глубина формования изделий из большинства резиновых смесей, применяемых для этой цели, сравнительно невелика (H/D≤0,5).

Вулканизация отформованных изделий

производится острым паром. Для этого форму с находящейся в ней заготовкой помещают в автоклав, автоклав закрывают, герметизируют и подают в него острый пар под давлением (0,4-0,8) МПа. Температура такого пара достаточна для вулканизации.

Кроме этого, подача пара в автоклав увеличивает разность давлений над заготовкой и под ней. При этом практически мгновенно происходит окончательное оформление изделий. Например, при негативной форме, на лицевой стороне формуемого изделия может быть получен более тонкий рисунок, чем при начальном формовании вакуумформованием.

Время пребывания вулканизуемого изделия в автоклаве должно соответствовать оптимуму вулканизации наиболее толстостенной части изделия, а разница между значениями оптимума вулканизации самого толстого и самого тонкого участков стенки изделия не должна превышать величины плато вулканизации.

По окончании процесса вулканизации снимают давление пара, автоклав раскрывают, удаляют из него формующий инструмент и происходит извлечение готового изделия. Специального охлаждения отформованного изделия не требуется, оно происходит в естественных условиях.

Оборудование для формования РТИ

В настоящее время для пневмовакуумного формования РТИ имеется оборудование двух типов.

1. Для производства РТИ крупных размеров используют формовочные агрегаты, в которых технологическая оснастка устанавливается на специальных выдвижных тележках. Зарядка форм и вакуумное формование сырой резиновой заготовки осуществляется вне автоклава. Затем тележки задвигаются в горизонтальный автоклав, и производится вулканизация изделий. Съем изделий также производится вне автоклава.

36

Принципиальная схема агрегата для производства крупногабаритных изделий представлена на рис.8.1.

Рис. 8.1 Схема агрегата для формования крупногабаритных РТИ: а – принципиальная схема; б – матрица

Агрегат состоит из автоклава 1, крышки 5 с платформой 4 и установленных на платформе матриц 3. Оператор снимает с каждой из матриц зажимную раму 7 и укладывает листовые заготовки 6 из сырой резины на матрицы, затем закрепляет заготовки и соединяет полости матрицы с вакуум-системой. Происходит формообразование изделий. Затем формовщик задвигает платформу по направляющим 8 внутрь автоклава и уплотняет крышку 5 с помощью затворов 2. Далее в автоклав подается острый водяной пар с температурой, обеспечивающей вулканизацию резиновой смеси. После окончания вулканизации формовщик открывает затворы 2, выдвигает платформу 4 и, сняв зажимные рамы 7, вынимает готовые изделия. Управление такого рода машинами осуществляется вручную. Число матриц зависит от размеров формуемых изделий.

2. Для формования мелких РТИ применяются невысокие вертикальные автоклавы с встроенными в них роторами, несущими технологическую оснастку. На этих установках зарядку заготовок, формование и съем изделий производят при открытом автоклаве, а вулканизацию – при закрытом.

Агрегат для производства мелкогабаритных РТИ методом вакуумного формования (рис. 8.2) состоит из автоклава 1 с шарнирно закрепленной крышкой 7. Открывание и закрывание крышки осуществляет гидроцилиндр 3. В автоклаве на опорах 8 смонтирован полый горизонтально расположенный вал 9, на котором установлен ротор 2 с закрепленными на нем четырьмя формами 12.

Оператор при открытой крышке 7 укладывает на форму 12 заготовку из листованной резиновой смеси, затем открывает кран 11, который соединяет внутреннюю полость формы с вакуумной системой. При этом удаляется воздух из-под заготовки и происходит формование изделия. Далее оператор нажатием кнопки включает в работу гидроцилиндр 10, который поворачивает вал 9 с ротором 2 на 90о.

37

Рис. 8.2 Агрегат для формования мелких и средних РТИ

Оператор укладывает и формует заготовку на другой форме, и так до тех пор, пока не будут отформованы изделия во всех четырех формах.

Далее оператор приводит в действие гидроцилиндр 3 и с его помощью закрывает крышку аппарата. Запирается крышка от действия гидроцилиндра 4. После того как автоклав закрыт и заперт, в него подается острый пар и происходит окончательное формование и вулканизация изделий. По окончании времени вулканизации с помощью гидроцилиндра 4 открывают крышку, оператор поочередно во всех положениях ротора отключает форму

38

от вакуум-системы, снимает готовое изделие, ставит новую заготовку и формует ее. Цикл повторяется.

Контрольные вопросы к лекции

1.Отличия физических основ формования РТИ от процесса формования термопластов методом термоформования.

2.Температурный режим процесса формования РТИ.

3.Разновидности креплений заготовок при формовании РТИ.

4.Последовательность операций при формовании РТИ.

5.Факторы, обуславливающие глубину формования РТИ.

6.Влияние острого пара, используемого для вулканизации РТИ, на процесс окончательного формования РТИ.

7.Факторы, определяющие время вулканизации отформованных РТИ.

8.Принцип действия агрегатов, предназначенных для формования РТИ крупных размеров.

9.Принцип действия агрегатов, предназначенных для формования мелкогабаритных РТИ.

10.Принципиальные отличия методов формования крупных и мелких

РТИ.

Лекция №9

Получение изделий из полимерных материалов методом прессования

является одним из распространенных методов переработки полимерных материалов, в первую очередь реактопластов.

Существуют следующие разновидности прессования:

1.компрессионное (прямое);

2.литьевое;

3.трансферное;

4.роторное (ротационное);

5.непрерывное профильное (штранг-прессование).

Компрессионное прессование

предусматривает:

∙загрузку материала в пресс-форму;

∙перевод его при нагревании в вязкотекучее состояние;

∙формование изделия под действием давления;

∙фиксацию заданной конфигурации изделия в результате ускоренного сшивания олигомеров при повышенной температуре (при переработке реактопластов) или при охлаждении материала до температуры ниже температуры стеклования (при формовании термопластов).

39

В цикле прессования реактопластов одновременно происходит его отверждение. Полученное этим методом изделие, как правило, обладает формоустойчивостью при повышенной температуре и не требует охлаждения перед извлечением из пресс-формы.

При прессовании термопластов изделие приобретает формоустойчивость только при охлаждении его под давлением.

Процесс прессования осуществляется на специальных прессах (гидравлических или механических) в обогреваемых пресс-формах.

Технологический процесс компрессионного прессования включает следующие стадии:

1.подготовка и дозирование пресс-материала;

2.предварительный его подогрев;

3.загрузка пресс-формы, причем особенностью этого метода является то, что материал непосредственно загружается в оформляющую полость пресс-формы;

4.опускание плит пресса и смыкание пресс-формы;

5.подпрессовка;

6.выдержка под давлением;

7.подъем подвижной плиты пресса с пуансоном и разъем пресс-формы;

8.извлечение изделия;

9.очистка пресс-формы и подготовка ее к следующему рабочему циклу.

Материалы, перерабатываемые методом прессования,

представляют собой композиции на основе олигомеров и наполнителей, так называемые пресс-материалы:

В зависимости от наполнителя пресс-материалы подразделяют следующим образом:

1. пресс-порошки – содержащие в качестве наполнителей порошки различной дисперсности, в частности, древесную муку, маршаллит, мел, барит и пр. Пресс-порошки должны обладать хорошей сыпучестью и легко поддаваться таблетированию и грануляции.

2. волокниты – содержащие в качестве наполнителей различные волокна, как органического (хлопчатобумажные, синтетические и др.), так и минерального (стеклянные, базальтовые, асбестовые и др.) происхождения.

В последнее время широкое распространение получают

стекловолокнистые композиции на основе полиэфирных смол (так называемые премиксы), которые также относят к волокнитам.

Эти материалы обладают тестоподобной консистенцией и отличаются от обычных волокнитов по свойствам и технологии переработки (их прессуют при низких давлениях).

40

3. слоистые пресс-материалы. Эта группа включает гетинакс, текстолит, стеклотекстолит и другие материалы, содержащие в качестве наполнителя различного рода бумаги, маты, ткани, пленки и т. п.

Основные стадии процесса прессования

1. Подготовка и дозирование пресс-материала

Подготовка пресс-материала к переработке заключается в проведении оценки его технологических характеристик и доведении их до требуемых значений путем сушки, измельчения, рассева и других операций.

Дозирование пресс-порошков может осуществляться тремя способами:

а) Объемное дозирование заключается в отборе необходимого для запрессовки количества материала с помощью мерного сосуда или бункера известного объема. Важнейший недостаток – низкая точность, связанная с различием партий по насыпной плотности.

б) Массовое дозирование является наиболее точным, так как предусматривает взвешивание дозируемого материала.

Недостаток – трудоемкость и длительность.

в) Штучное дозирование заключается в загрузке определенного числа таблеток известной массы.

Штучное дозирование очень удобно, так как улучшает условия труда за счет снижения запыленности помещений, повышает производительность, позволяет уменьшать объем загрузочной камеры.

Недостаток метода – необходимость использования таблетирующих машин, что приводит к возрастанию капитальных затрат на производство изделий методом прессования.

2. Предварительный подогрев

до температуры прессования и выдержка под давлением (отверждение) – наиболее длительные стадии технологического процесса прессования.

Для предварительного подогрева (обычно 90-110оС) используются термостаты, нагревательные шкафы с циркуляцией влажного воздуха, инфракрасные нагреватели, высокочастотные нагревательные установки. Наиболее эффективный, равномерный по всему объему прогрев обеспечивают высокочастотные установки.

Температуру предварительного подогрева задают в зависимости от размеров и конструкции изделия, температуры формы, текучести материала и других факторов.

3. Загрузка

41

Перед прессованием в пресс-форму помещают материал в количестве, соответствующем массе прессуемого изделия, при этом стремятся к равномерному распределению материала в пресс-форме. В тех случаях, когда объем загрузочной камеры недостаточен для размещения всей навески, загружать форму приходится в несколько приемов, последовательно уплотняя материал каждой порции путем опускания пуансона.

4. Замыкание формы

После загрузки пресс-материала пуансон опускают и начинают формование изделия: давление рабочей жидкости в цилиндре пресса через пуансон передается в форме на материал, который растекается и заполняет полость формы.

На прессах с групповым приводом холостой ход пуансона совершается с высокой скоростью при низком давлении в гидроцилиндре, а формование изделия вплоть до замыкания формы производится медленно при высоком давлении. На прессах с индивидуальным приводом после соприкосновения пуансона с материалом давление в гидросистеме начинает возрастать и достигает максимального значения к моменту полного смыкания прессформы. Слишком быстрое смыкание пресс-формы может привести к выбросу материала, а также резко увеличивает износ формы, поэтому перед соприкосновением пуансона с материалом следует замедлить ход плунжера.

5. Подпрессовка -

это кратковременный подъем пуансона с открытием полости формы и последующим ее смыканием. Основное назначение подпрессовки – дегазация формы, то есть удаление летучих и паров влаги, которые начинают интенсивно выделяться в ходе отверждения нагретого пресс-материала.

Длительность подпрессовки зависит от размеров изделия, его глубины, но колеблется в сравнительно узких пределах (2-5 сек).

6. Выдержка -

это время пребывания материала в нагретой пресс-форме, необходимое для его полного отверждения. Выдержка начинается с момента первого смыкания формы и заканчивается в момент подъема пуансона перед извлечением (выталкиванием) изделия.

Выдержка зависит от скорости отверждения пресс-материала, температуры его предварительного подогрева, а также от вида изделия и его толщины.

7. Съем изделий

в зависимости от конструкции пресс-формы и вида изделия может происходить с помощью толкателей, с помощью специальных съемников или вручную.

42

После извлечения из формы изделия имеют обычно высокую температуру, их охлаждение происходит на воздухе.

После охлаждения изделия отправляют на механическую обработку (удаление грата, сверление отверстий, нарезание резьбы, шлифование и пр.)

После извлечения изделия форму готовят к следующему циклу: ее очищают от остатков материала (обычно путем обдува сжатым воздухом; при необходимости оформляющие поверхности для предотвращения прилипания материала при запрессовке смазывают различными составами – мылами, воском).

Контрольные вопросы к лекции

1.Основные разновидности процессов прессования: краткая сравнительная характеристика.

2.Компрессионное прессование. Основные стадии компрессионного прессования.

3.Материалы, перерабатываемые методом прессования: пресс-порошки, волокниты.

4.Материала, перерабатываемые методом прессования: премиксы, слоистые пресс-материалы.

5.Подготовка и дозирование пресс-материала в процессе прессования.

6.Способы дозирования пресс-материалов.

7.Предварительный нагрев в процессе прессования. Оборудование, используемое для предварительного нагрева пресс материалов.

8.Операции загрузки и замыкания формы в процессе прессования.

9.Операции подпрессовки и выдержки под давлением в процессе прессования.

10.Съем изделий, получаемый методом прессования.

Лекция №10

Аппаратурное оформление процесса компрессионного прессования

Для осуществления процесса компрессионного прессования преимущественно используются гидравлические прессы, но могут быть использованы и механические.

Разнообразные конструкции гидравлических процессов можно подразделить по ряду признаков.

1. По числу рабочих усилий различаются прессы с одним рабочим усилием (верхним или нижним) или с двумя рабочими усилиями, которые могут действовать во встречных направлениях (верхнем и нижнем) и под углом 90о одно к другому (угловые прессы).

2. По способу управления различаются прессы:

- с ручным управлением;

43

-полуавтоматические;

-автоматы.

3. По конструкции различают прессы:

-двух- и многоэтажные (или многоплитные);

-колонные и рамные.

4. По виду энергоснабжения:

-прессы, работающие от центральной станции, создающей давление (так называемой аккумуляторной станции);

-прессы, работающие от индивидуального насоса.

Принцип действия гидравлического пресса

Гидравлический пресс приводится в действие жидкостью: маслом или водной эмульсией масла. Принцип действия пресса основан на законе Паскаля, согласно которому давление на жидкость, заключенную в замкнутом сосуде, передается ею во все стороны равномерно. Номинальное рабочее усилие пресса (Р) зависит от площади (S) торцовой поверхности его плунжера и давления гидравлической жидкости (q), подаваемой насосом:

P = S∙q (кН)

Каждый пресс рассчитан на определенное номинальное рабочее усилие его плунжера. Эффективное или рабочее усилие пресса несколько ниже и зависит от степени износа уплотнений в гидроцилиндрах. Регулируя по манометру величину давления гидравлической жидкости в рабочем цилиндре пресса, можно создать на прессуемый материал усилие либо близкое к номинальному, либо ниже его.

Весь цикл прямого (компрессионного) прессования состоит из четырех основных стадий (рассматривается на примере пресса нижнего давления колонного типа) – рис. 10.1.

44

Рис. 10.1 Схема гидропресса нижнего давления колонного типа 1 – верхняя неподвижная траверса (архитрав); 2 – подвижная плита (стол); 3 –

колонна; 4 – рабочий плунжер; 5 – ограничитель опускания плиты; 6 – цилиндр; 7 – пресс-форма.

1 стадия

Стол с матрицей опущены и производится загрузка продукта (заготовок, пресс-порошков и т.п.). Рабочая жидкость в цилиндр не подается.

2 стадия

Рабочая жидкость начинает поступать под плунжер и поднимает его вместе со столом и матрицей до смыкания пресс-формы; далее происходит нарастание давления на материал.

3 стадия

В цилиндре поддерживается давление, необходимое для прессования. Рабочая жидкость поступает в количестве, необходимом для восполнения возможных утечек через узлы уплотнения. Эта стадия называется выдержкой.

4 стадия

Цилиндр отключается от источника гидравлической энергии и жидкость из него спускается в сливной трубопровод; плунжер со столом опускается под действием собственного веса и после этого происходит разгрузка, то есть удаление готового изделия.

Между концом 4-й и началом 1-й стадии нового цикла производится очистка пресс-формы.

Принципы устройства и работы пресс-форм

Пресс-формы для прессования пластмасс возможно классифицировать следующим образом:

1. По характеру эксплуатации: съемные и стационарные.

Съемные пресс-формы в процессе прессования не закрепляются на плитах пресса и периодически снимаются с них для извлечения готового изделия и загрузки новой порции материала. Стационарные пресс-формы неподвижно закреплены на плитах пресса. Пресс-материал загружают в них и извлекают готовое изделие без нарушения их связи с прессом.

2. По методу прессования – на пресс-формы для прямого (компрессионного) и литьевого прессования.

3. По количеству одновременно прессуемых изделий (то есть по числу оформляющих гнезд пресс-формы) – на одногнездные и многогнездные.

45

В одногнездных пресс-формах за один цикл прессования изготавливается одно изделие, в многогнездных – сразу несколько. Выбор пресс-формы зависит от размера детали, сложности ее конструкции и величины заказа. Многогнездные формы по конструкции намного сложнее одногнездных.

4. По положению плоскости разъема – пресс-формы с одной или двумя горизонтальными или вертикальными плоскостями разъема.

5. По способу извлечения готовых изделий – пресс-формы с нижними выталкивающими стержнями и нижними выталкивающими вкладышами, с верхним сталкивателем и без выталкивателя. Верхние сталкиватели не участвуют в оформлении каких-либо элементов изделия. Нижние выталкивающие вкладыши в процессе прессования оформляют полностью или частично нижнюю поверхность изделия, а при выталкивании давят на нее до удаления изделия из пресс-формы.

6. По виду замыкания оформляющей части – на открытые, полузакрытые и закрытые (рис. 10.2).

а)

в)

Рис. 10.2 Схемы пресс-форм: а) открытого типа; б) закрытого типа; в) полузакрытого типа.

Пресс-форма открытого типа (рис. 10.2а) не имеет загрузочной камеры для пресс-материала над оформляющей полостью матрицы 1. Поэтому материал загружается непосредственно в оформляющую (рабочую) полость матрицы. При закрывании пресс-формы пуансоном 2 оформляющая полость ее остается открытой до тех пор, пока пуансон не сядет на матрицу, соприкасаясь с ней по горизонтальной плоскости. Поэтому такая прессформа называется открытой. При опускании пуансона избыток материала легко выдавливается в зазор между пуансоном и матрицей, образуя различной толщины заусенцы (так называемый, облой или грат, в данном случае – горизонтальный). Вследствие этого в момент замыкания прессформы в ней может оказаться недостаточное количество пресс-материала и отпрессованное изделие 3 будет рыхлым и недопрессованным.

Пресс-форма закрытого типа (так называемая поршневая пресс-форма - рис. 10.2б) имеет загрузочную камеру для материала над оформляющей

46

полостью матрицы 1. При опускании пуансон 2 входит в матрицу подобно поршню, и его боковая поверхность соприкасается с боковой поверхностью загрузочной камеры, закрывая таким образом оформляющую полость прессформы. Весь прессуемый материал остается в пресс-форме и не вытекает из нее, так как между загрузочной камерой матрицы и пуансоном имеется совсем малый зазор, необходимый для предотвращения заклинивания пуансона. Пуансон опирается на прессуемый материал, целиком передавая ему все усилие пресса. Для получения изделий 3 одинаковой высоты в матрицу нужно закладывать точную навеску материала. Все изделия, полученные с помощью такой пресс-формы, имеют вертикальный грат. Материал извлекают из пресс-формы при помощи выталкивателя 4.

Недостатки такой пресс-формы:

∙наличие трущихся частей, требующих специальной обработки и удорожающих изготовление;

∙значительный износ пуансона в процессе работы;

∙небольшая точность размеров изделия по высоте.

Пресс-формы закрытого типа применяют большей частью для прессования изделий из волокнистых и других материалов, обладающих невысокой текучестью и образующих поэтому небольшой грат.

Пресс-форма полузакрытого типа (или пресс-форма с перетеканием – рис. 10.2в) относится к пресс-формам, используемым, в основном, для прессования порошкообразных пресс-материалов. Эти пресс-формы занимают промежуточное положение между пресс-формами закрытого и открытого типов. Над оформляющей полостью матрицы 1 расположена загрузочная камера, поперечное сечение которой значительно больше поперечного сечения верхней части оформляющей полости матрицы.

Оформляющая полость закрывается пуансоном 2 при опускании его в матрицу. В процессе прессования пуансон опирается на пресс-материал и целиком передает ему усилие пресса. Боковая поверхность пуансона имеет лыску 6 для выхода избыточного материала и соприкасается только с боковой поверхностью загрузочной камеры. В нижнем положении пуансон садится на горизонтальный борт 5 (или рант) матрицы (шириной от 2,5 до 5 мм).

По этой поверхности происходит отжатие излишнего количества прессматериала, вытекающего из матрицы по специальным каналам между пуансоном и загрузочной камерой. Поэтому горизонтальный борт еще называют отжимным бортом или рантом матрицы. Полученные изделия обладают горизонтальным гратом, подрезанным вокруг изделия краем отжимного ранта поэтому легко удаляемым. Для того, чтобы отжимной борт не был смят давлением пуансона во время замыкания формы, на соприкасающихся обоймах матрицы и пуансона устанавливают опорные планки. Они ограничивают посадку пуансона на отжимной рант с зазором от 0,1 до 0,3 мм. Пресс-формы полузакрытого типа не требуют такой точной дозировки материала, как пресс-формы закрытого типа, при этом срок их службы дольше.

47

Основные детали пресс-форм

Пресс-формы состоят из отдельных деталей, которые можно подразделить на две основные группы:

1. детали технологического назначения, так называемые рабочие детали. Они непосредственно соприкасаются с перерабатываемой полимерной композицией и придают изделию нужную форму. К деталям технологического назначения относятся матрицы, пуансоны, вкладыши, резьбовые знаки и кольца;

2.детали конструктивного назначения. Они непосредственно не соприкасаются с прессматериалом в процессе формования изделия. Однако они необходимы для обеспечения работы деталей технологического назначения и служат для взаимного закрепления (фиксации) деталей пресс-формы, раскрытия и закрытия ее, а также для связи пресс-формы с прессом.

Ктаким деталям относятся различные фиксаторы, направляющие колонки

ивтулки, выталкиватели, плиты обогрева, опорные планки, ручки прессформ, литниковые втулки, детали разъемных приспособлений, применяемых для разъема съемных пресс-форм и т.п.

Детали технологического назначения

Матрицы и обоймы

Матрица является основной деталью пресс-формы, непосредственно участвующей в оформлении наружной поверхности изделия и придающей ему нужную форму и размеры. Обычно в матрице нижнее внутреннее гнездо служит для оформления изделия и является собственно матрицей, а верхняя часть гнезда предназначена для загрузки пресс-материала и является загрузочной камерой. Изготовление цельной матрицы не всегда целесообразно с точки зрения технологии обработки металла. Поэтому для облегчения механических и ручных операций матрицы делают составными (рис. 10.3 а). При этом матрицу соединяют с загрузочной камерой таким образом, чтобы пресс-материал не мог попасть в зазоры в местах соединений отдельных частей матрицы.

Всоставной матрице имеется деталь, внутреннее отверстие которой служит загрузочной камерой, а в нижней части крепится матрица. Эта деталь называется обоймой.

Вмногогнездных пресс-формах (рис 10.3 б) применяют вставные цилиндрические матрицы 1, которые запрессовывают в обойму 2 матрицы с плитой 10.3.

48

Рис. 10.3 Схема матриц пресс-форм различной конструкции:

а) составная матрица; выступающий бурт матрицы имеет тугую посадку к обойме загрузочной камеры, они стянуты болтами,

б) вставная круглая матрица для изделия, являющегося телом вращения

Пуансоны

придают внутренней поверхности изделия необходимую форму и размеры. Общим назначением пуансона в пресс-формах прямого прессования является передача усилия пресса на пресс-материал. В небольших пресс-формах применяют цельные пуансоны, а в больших – составные. Составной пуансон состоит из пуансонодержателя и запрессованного в него собственно пуансона. Пуансоны конструируют таким образом, чтобы можно было удалять из оформляющей полости пресс-формы избыток прессуемого материала и газов, образующихся при прессовании.

Вкладыши-

детали, устанавливаемые в матрице или пуансоне для оформления в изделии углублений или гладких отверстий различной формы. Эти детали вставляют либо неподвижно, либо так, чтобы их можно было быстро снимать и заменять другими.

Вкладыши цилиндрической формы, служащие для оформления гладких круглых отверстий, называются стержнями.

Резьбовые знаки и кольца

Резьбовые знаки имеют различное назначение. Одни из них служат для оформления внутренних резьбовых отверстий в изделиях из пластмасс, другие для закрепления в определенном положении в пресс-форме, и, следовательно, в изделии металлической арматуры с резьбой (типа гайки).

Отверстие в матрице под резьбовой знак обычно делают сквозным для выталкивания знака снаружи после раскрытия пресс-формы при извлечении изделия.

Резьбовые кольца используют для оформления наружной резьбы на прессуемом изделии.

49

Резьбовое кольцо обычно устанавливают в нижней части матрицы. Выталкивают изделие, прилагая к нему усилия от выталкивающего плунжера пресса. Изделие извлекают из формы вместе с резьбовым кольцом, которое затем с него свинчивается.

Детали конструктивного назначения

Направляющие детали – фиксаторы и направляющие колонки – направляют движение отдельных частей пресс-формы при ее закрытии и раскрытии.

Фиксаторы применяют для предварительной правильной ориентировки пуансона перед его опусканием в пресс-форму. Это необходимо для прессформ, загрузочная камера которых имеет квадратную или прямоугольную форму, так как пуансоны к ним пригоняются в строго определенном положении.

Направляющие колонки служат для точной установки и направления движения пуансона к матрице. Поэтому их изготавливают с более высокой точностью, чем фиксаторы.

Выталкиватели служат для извлечения из пресс-формы отпрессованного изделия. Пресс-формы, в которых изделие после прессования находится в матрице, снабжаются нижними выталкивателями. После раскрытия пресс-формы или в процессе раскрытия нижний выталкиватель поднимает изделие из матрицы выше верхней ее поверхности, после чего его легко можно снять вручную или механически.

Пресс-формы, в которых изделие после прессования остается на пуансоне, снабжаются верхними сталкивателями, обычно имеющими форму стержня. После раскрытия или в процессе раскрытия формы он сталкивает изделие с пуансона либо в руки прессовщика, либо на автоматически выдвигающийся лоток.

У некоторых очень немногих пресс-форм вообще отсутствуют выталкивающие устройства, изделия из них вынимаются вручную или при

помощи сжатого воздуха.

Нижние и верхние выталкиватели устанавливаются таким образом, чтобы в процессе извлечения изделие не перекашивалось, не деформировалось и не разрушалось от давления торцов выталкивателей. Остающиеся на изделии отпечатки от выталкивателей не должны портить внешнего вида изделия. Поэтому выталкиватели и сталкиватели обычно устанавливают под или над утолщенными местами изделия.

Нагрев пресс-форм

Пресс-формы для прессования реактопластов обычно нагревают электричеством. Пресс-формы для прессования термопластов нагревают

50

водяным паром или горячей водой, а затем во время осуществления операции съема охлаждают водой.

Литьевое прессование

Принципиальное отличие литьевого прессования от прямого, т.е. компрессионного состоит в том, что материал загружается не в саму

полость пресс-формы, где происходит формование изделия, а в загрузочную камеру («форкамеру»), в которой он переводится в вязкотекучее состояние, а затем по специальным литьевым каналам впрыскивается в оформляющую полость формы. При этом изделие оформляется в сомкнутой форме, а необходимое давление создается в загрузочной камере и передается через материал, поэтому давление в оформляющей полости создается в самом конце стадии формования.

Смыкание оформляющей полости пресс-формы и передавлива-ние материала из загрузочной камеры в оформляющую полость осуществляется при движении главного плунжера пресса.

Метод позволяет изготавливать изделия более сложного профиля, с большей разнотолщинностью в различных сечениях, отличающиеся повышенной точностью размеров и минимальным количеством грата. Изделия характеризуются высокой однородностью свойств, в первую очередь прочностных и электрических.

К недостаткам метода следует отнести большой по сравнению с компрессионным прессованием расход пресс-материалов, а также анизотропию, возникающую при литье деталей из пресс-материалов с волокнистыми наполнителями, особенно со стекловолокном.

Схема литьевой пресс-формы представлена на рис. 10.4.

Рис. 10.4 Литьевая пресс-форма:

1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – изделие; 4 – поднутряющий штырь; 5 – вкладыш; 6

– обойма; 7 – загрузочная камера; 8 – литниковый канал; 9 – выталкиватель.

Трансферное формование

51

отличается от литьевого тем, что пресс-форма смыкается при помощи

главного плунжера пресса, а передавливание материала, засыпанного в загрузочную камеру пресс-формы до ее смыкания, в оформляющие полости формы производится плунжером выталкивателя при его движении снизу вверх. (рис. 10.5). Пресс-формы для трансферного прессования с горизонтальной плоскостью разъема могут конструироваться на большое число гнезд для деталей малых и средних размеров.

В таком случае расплавленный материал передается в формующую полость через специальную литниковую систему. Литниковая система состоит из литниковых каналов, по которым материал поступает из загрузочной камеры в пресс-форму; отводящих или разводящих литников, идущих от литникового канала в сторону оформляющих полостей, и впускных литников, являющихся продолжением разводящих, но меньшего сечения.

Рис. 10.5 Трансферная пресс-форма:

1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – изделие; 4 – направляющие колонки; 5 – направляющие втулки; 6 – выталкиватель; 7 – загрузочная камера; 8 – литниковый канал.

Литниковая система работает следующим образом: материал из загрузочной камеры через литниковый канал А, разводящие литники Б и впускные литники В поступает под давлением в оформляющие полости Г литниковой формы. Площадь сечения литникового канала должна быть равна сумме площадей сечений разводящих литников.

Схема литниковой системы показана на рис. 10.6.

52

Рис. 10.6 Схема литниковой системы

Контрольные вопросы к лекции

1.Классификация гидравлических прессов по различным признакам.

2.Принцип действия гидравлического пресса.

3.Классификация пресс-форм по различным признакам. Нагрев пресс-

форм.

4.Характеристика пресс-форм открытого типа.

5.Характеристика пресс-форм закрытого типа.

6.Характеристика пресс-форм полузакрытого типа.

7.Основные детали пресс-форм: общая характеристика.

8.Матрицы и обоймы.

9.Пуансоны, вкладыши, резьбовые знаки и кольца.

10.Направляющие детали. Детали, служащие для извлечения изделий из пресс-форм.

11.Литьевое прессование.

12.Трансферное прессование.

Лекция №11

Ротационное (роторное) прессование -

- метод изготовления полых изделий из порошков и паст (пластизолей) термопластичных полимерных материалов.

Процесс можно разбить на четыре этапа:

1.Загрузка полимерного материала в форму.

2.Формование изделия.

3.Охлаждение изделия в форме.

4.Извлечение готового изделия.

1.Загрузка определенного количества полимерного материала в форму

При ротационном формовании дозированную порцию материала (чаще порошкообразный термопласт) загружают в полую металлическую форму, которая представляет собой раковинообразную конструкцию, состоящую из двух половин, реже используются формы, состоящие из 3-х и более частей. Форму герметично закрывают.

2. Формование изделия

53

Форму помещают в камеру нагрева и приводят во вращение в одной или в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (биосевое вращение) со скоростью от 4 до 20 об/мин (рис. 11.1).

Рис. 11.1 Вращение формы при ротационном формовании: 1 — первичная ось; 2 - вторичная ось; 3 – деталь - разъемной формы; 4 - полости формы; 5 –

кожух зубчатой передачи; 6 – вал, присоединяющий

к мотору

Одновременно форму нагревают до температуры, необходимой для плавления полимера (для порошкообразного сырья) или для его набухания в пластификаторе (для паст).

При вращении формы материал равномерно распределяется по ее внутренней поверхности, подплавляется, гомогенизируется, и на горячих стенках формы образуется тонкое монолитное покрытие, которое удерживается за счет адгезии и центробежных сил.

Нагрев форм осуществляют либо в печах с газовым пламенем (сжигание природного газа), либо горячим воздухом, либо с помощью электрических ТЭНов. Электрический обогрев более безопасен, но более дорогой. Иногда нагрев формы осуществляют инфракрасным излучением или смесью нитридов натрия и калия, которая плавится при температуре (200-300)0С и разбрызгивается на вращающиеся формы.

Формование заканчивают, когда весь полимер расплавится и налипнет на стенки формы.

При использовании пастообразного материала на основе поливинилхлорида ("пластизоля"), возможно изготовление изделий, таких как, галоши, полые шары или головы для кукол. Отвердение поливинилхлорида осуществляется путем физического гелеобразования между поливинилхлоридом и жидким пластификатором при температурах 150÷200°С. Мелкие частицы поливинилхлорида однородно диспергированы в жидком пластификаторе вместе со стабилизаторами и красителями, образуя, таким образом, вещество со сравнительно низкой вязкостью. "Пластизоль", загружают в форму, предварительно откачав из нее воздух. Затем форму начинают вращать и нагревать до требуемой температуры, что приводит к гелеобразованию поливинилхлорида. Толщина стенок образующегося продукта определяется временем гелеобразования. После достижения

54

требуемой толщины стенок избыток пластизоля удаляется для проведения повторного цикла. Для окончательной гомогенизации смеси частиц поливинилхлорида с пластификатором гелеобразный продукт внутри формы нагревают. Конечный продукт вынимают из формы после его охлаждения струёй воды. Метод ротационного литья с использованием жидкого материала известен как метод "формования полых изделий заливкой и вращением формы".

Также в форму может быть загружена жидкая смесь термореактивного форполимера с отвердителем. Отвердение в этом случае будет происходить при вращении под действием повышенной температуры.

Объем получаемого изделий определяется объемом камеры нагрева. Ротационным формованием возможно получение изделий с арматурой и крупногабаритных изделий. (Например, из полиэтилена, наполненного техуглеродом, получают резервуары емкостью до 7,25 м3). Иногда ротационное формование осуществляют с использованием жестких вкладышей. Это делается с целью увеличения прочности больших участков формуемых изделий. Из смесей полимеров, отличающихся друг от друга значением температуры плавления, получают двухслойные изделия с различными свойствами слоев. С целью предотвращения окисления некоторых полиамидов в форму нагнетают инертный газ.

Изделия, получаемые ротационным формованием, практически не напряженные, и в них отсутствует ориентация полимера. Одним из преимуществ ротационного формования является возможность варьирования толщиной стенки изделий простым изменением количества загружаемого материала в форму. Ротационным формованием можно получать изделия с толщиной стенки до 20 мм.

Процесс ротационного формования происходит при атмосферном давлении, причем при вращении формы масса материала не оказывает существенное давление на ее стенку, поэтому ротационные формы могут иметь очень тонкие стенки, и они относительно дешевы. Простые формы могут быть изготовлены в течение нескольких дней. Чаще всего литьевые формы изготавливают из стали или алюминия. Из металлов предпочтение отдается металлам с высокой теплопроводностью. Алюминиевые формы используют для изготовления сложных изделий. Изготовление формы производится литьем алюминия по мастер-модели с последующей доработкой. Алюминиевое литье применяют также, когда необходимо изготовить несколько идентичных форм. Для изготовления небольших изделий используют формы, изготовленные гальванопластикой или металлизацией в вакууме. Формы в процессе эксплуатации подвергаются большим термонапряжениям поскольку температура при проведении процесса многократно изменяется от комнатной до 300°С.

3. Охлаждение формы с изделием

55

После гомогенизации расплавленной композиции форму охлаждают потоком холодного воздуха или распыленной водой. При этом форма продолжает вращаться для обеспечения равномерности затвердевания полимера по объему изделия. Когда полимер окончательно затвердеет, вращение прекращают.

4.Извлечение изделия из формы

Форму раскрывают, и готовое изделие извлекают из формы.

В зависимости от вида изделия и типа перерабатываемого полимерного материала используют разъемные или неразъемные формы.

При формовании изделий из поливинилхлоридных пластизолей пригодны неразъемные формы: готовые изделия извлекают, используя упругую деформацию материала.

Для извлечения изделий из жестких материалов применяют разъемные формы, которые по стоимости превосходят неразъемные.

Ротационное формование относится к безотходным процессам. При помощи специальных технологических приемов и приемов при конструировании ротационных форм можно достичь 100% выхода изделий из исходного сырья. Бракованные изделия возможно утилизировать, а полученные полимерные материалы использовать для изготовления новых изделий.

Упрощенная пооперационная схема ротационного прессования показана на рис. 11.2.

Рис. 11.2 Пооперационная схема ротационного прессования

а) положение разъемной формы в момент загрузки; б) формование изделия; в) охлаждение отформованного изделия;

г) извлечение изделия из формы.

Более детализированная схема ротационного формования представлена на рис. 11.3.

56

Рис. 11.3 Пооперационная схема ротационного прессования

а) загрузка порошка термопласта; б) нагрев с вращением;

в) охлаждение потоком воздуха с вращением; г) извлечение изделия из формы.

Оборудование для ротационного формования

Формы крепятся на так называемой «руке». «Рука» производит вращение формы и перемещает ее последовательно из зон загрузки/выгрузки изделия в камеру нагрева и охлаждения. В простых машинах камера нагрева и охлаждения совмещены и используется одна «рука». Для увеличения производительности, если позволяет объем камеры нагрева/охлаждения, на «руке» можно укрепить несколько одинаковых или разных форм. Чаще всего используются машины карусельного типа с тремя или четырьмя «руками». Это позволяет увеличить производительность, сэкономить расход тепла и получать несколько разных изделий одновременно. Каждая «рука» находится в определенной зоне технологического цикла. Затем производится одновременное перемещение «рук» в последующую зону получения изделий. В данном случае все изделия на разных «руках» получают по единой технологической программе. Причем время нахождения «руки» в определенной зоне определяется временем формирования самого трудоемкого изделия. В настоящее время разработаны машины с независимыми «руками», позволяющими вести формование каждого из изделий по собственной программе.

Преимущества и недостатки ротационного формования

Преимуществами процесса ротационного формования являются:

∙простота процесса;

∙высокая производительность;

∙относительно невысокая стоимость литьевых форм и оборудования;

∙возможность быстрого изготовления и ремонта литьевых форм;

∙безотходность производства;

∙возможность получения изделий без внутренних напряжений и без ориентации полимера;

∙возможность изготовления монолитных изделий сложной формы;

∙возможность изготовления крупногабаритных изделий;

∙возможность многослойного формования и изготовления вспененных изделий и изделий с двойной стенкой;

∙возможность заформовывания металлических деталей и высококачественных графических изображений;

57

∙возможность изготовления одного и того же изделия с различной толщиной стенки без модификации литьевой формы;

∙возможность одновременного изготовления разных изделий;

Кнедостаткам метода ротационного формования можно отнести:

∙длительное время получения изделий;

∙стоимость исходных полимерных материалов относительно высока (необходимость размола, дополнительные требования по упаковке и др.);

∙сложности в формировании ребер жесткости изделия;

∙одним из недостатков процесса ротационного формования является ограничения по выбору полимерных материалов;

Полимерные материалы для ротационного формования.

При ротационном формовании чаще всего применяются порошкообразные полимерные материалы. Возможно применение гранул или жидких веществ. Доминирующую роль среди материалов для ротационного формования играет полиэтилен (ПЭ). По данным ARM (Международной ассоциации ротационного формования) на долю полиэтиленовых изделий приходится от 85 до 95% рынка. Применяется ПЭ низкого, среднего, высокого давления, пространственно сшиваемый ПЭ. Наибольшее количество изделий выпускается из линейного полиэтилена низкого давления. На долю других полимеров приходится от 5 до 15% рынка. Среди этих полимерных материалов лидирующую роль занимают ПВХ-пластизоли. Для ротационного формования разработаны специальные марки полиамида, поликарбоната, полипропилена. Ротационным формованием возможно изготовление изделий из термореактивных полимерных материалов, таких как полиуретаны, эпоксидные композиции и т.д.

Лидерство ПЭ среди ПМ для ротационного формования объясняется следующими факторами:

∙высокая термостабильность данного полимера по сравнению со многими полимерами (время формования изделия часто составляет 30-40 мин при температуре в камере нагрева 3000С);

∙хорошая перерабатываемость ПЭ гранул в порошок (для измельчения ПЭ используют специально разработанные мельницы);

∙относительно низкая стоимость ПЭ (комплекс функциональных свойств, обеспечивающих конкурентоспособность изделий на потребительском рынке).

Типичные примеры использования изделий, полученных ротационным формованием, представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1 Ассортимент продукции, выпускаемой ротационным формованием

58

Для получения труб, стержней и других профильных изделий наряду с экструзией применяется профильное прессование.

59

Сущность его заключается в том, что пресс-материал продавливается

через профилирующую форму с открытыми входным и выходным отверстиями.

В процессе продавливания происходит формование и получение данного профиля, а в случае применения термореактивных материалов – также их отверждение.

Схема головки штранг-пресса приведена на рис. 11.4.

Рис. 11. 4 Головка штранг-пресса:

I — IV — зоны центрального канала; 1— мундштук; 2 — гайка мундштука; 3 и 4

— фланцы; 5—нагревательный бандаж; 6 — матрица; 7 — нагреваемая обойма; 8— охлаждаемая обойма; 9 — бункер; 10— поршень.

Для получения труб и профилей с достаточно высокими показателями механической прочности необходимо обеспечить значительное уплотнение, которое достигается при соотношении площадей сечения материального цилиндра и оформляющей щели головки, равном 10:1. Для лучшего уплотнения в месте перехода материального цилиндра в мундштук устанавливают решетку. Несмотря на то, что процесс профильного прессования является периодическим, профиль получается непрерывным, так как выдавливается не вся масса, и новая загрузка сваривается с остатком от предыдущего цикла.

Режим прессования определяется составом пресс-материала и типом изделия. Для фенопластов температура материала принимается равной (160180)0С, а для аминопластов (140-160)0С. Удельное давление прессования составляет (1000-1400) кГс/см2.

Контрольные вопросы к лекции

1.Сущность процесса ротационного формования.

2.Разновидности форм, используемых при ротационном формовании, их назначение.

3.В чем заключается особенность вращения ротационных пресс-форм в процессе ротационного прессования.

60

4.Разновидности материалов, перерабатываемых методом ротационного формования.

5.Основные операции процесса ротационного прессования.

6.Основные достоинства и недостатки метода ротационного прессования.

7.Специфические приемы, используемые при ротационном формовании.

8.Непрерывное профильное прессование (штранг-прессование).

9.Особенности устройства готовки штранг-пресса.

Лекция №12

Формование пленок поливом из раствора

является единственным способом получения пленок из полимеров, для которых температура перехода в вязкотекучее состояние выше температуры начала интенсивного термического разложения.

Процесс состоит из следующих основных операций: приготовления раствора полимера, очистки его от механических примесей, удаления пузырьков воздуха и отлива пленки с последующим испарением растворителей.

Таким способом чаще всего перерабатываются следующие полимеры:

нитроцеллюлоза, триацетилцеллюлоза, гидрат целлюлозы, гидрохлорид полиизопрена, поливиниловый спирт полиамиды и др.

В качестве растворителей для перерабатываемых полимеров преимущественно используются следующие растворители: бензол, дихлорэтан, метиленхлорид и др.

Достоинства метода:

-возможность введения в композицию нетермостойких компонентов: лекарственных препаратов, консервантов, стабилизаторов и других веществ;

-пленки, полученные таким способом, отличаются высокой прозрачностью, однородностью, отсутствием посторонних включений и высокой равномерностью толщины.

Недостатки метода:

-невысокая производительность;

-сложность установки (включая систему рекуперации);

-высокий расход растворителей;

-пожароопасность производства;

-необходимость тщательного заземления аппаратуры ввиду электризации при отставании пленки от подложки.

Формование пленки описанным методом осуществляется на следующей технологической схеме (рис. 12.1).

61

Согласно этой схеме, компоненты полимерной композиции поступают из мерников-дозаторов 1 в смеситель 2, в котором происходит смешение полимера с низкомолекулярным растворителем. С целью интенсификации процесса смешения смесители снабжают мешалкой. Приготовленный раствор содержит некоторое количество примесей в виде нерастворимых частиц и пузырьков воздуха. Поэтому до фильеры его пропускают последовательно через фильтры 3 и так называемые деаэраторы 4.

Рис. 12.1 Схема производства пленок методом полива из раствора

1 – мерники-дозаторы; 2 – смеситель; 3 – фильтры; 4 – деаэратор; 5 – движущаяся лента отливочной машины; 6 – камера досушивания; 7 – охлаждающий барабан; 8 – намоточное устройство; 9 – система рекуперации.

В фильеру, таким образом, поступает прозрачный раствор полимера, содержащий необходимые ингредиенты: пластификаторы, стабилизаторы, красители, пигменты, консерванты и другие добавки.

С помощью фильеры раствор равномерно распределяется по ширине непрерывно движущейся ленты отливочной машины 5 или барабана.

Непрерывная лента или барабан, на которые наносится раствор полимера, заключают в герметичный кожух, что позволяет непрерывно удалять растворитель с поверхности отлитой пленки. Однако полного удаления растворителя с поверхности при этом достичь не удается. Отформованная пленка содержит большое количество растворителя, который удаляется в камере досушивания 6.

62

Для предотвращения слипания пленки при намотке ее охлаждают на барабане 7 и только после этого направляют в намоточное устройство 8. Пары растворителя из кожуха отливочной машины поступают в систему рекуперации 9.

Растворение полимера производят в смесителях различных систем — горизонтальных, вертикальных, с мешалками и без них; в последнем случае перемешивание осуществляется вращением самого смесителя. В раствор часто добавляют пластификаторы, которые не только повышают эластичность пленки, но также регулируют скорость испарения растворителя.

Растворитель должен быть настолько летуч, чтобы при заданной производительности установки можно было обеспечить его испарение. При выборе растворителя следует обращать внимание на его взрыво-, пожаробезопасность, а также оценивать его токсичность.

Во избежание значительной усадки и коробления пленки при испарении растворителя желательно, чтобы вязкость раствора относительно слабо изменялась с изменением концентрации. В то же время необходимо обеспечить как можно более высокое значение температурного коэффициента вязкости системы, что позволяет за счет повышения температуры существенно уменьшать вязкость раствора для облегчения фильтрования, деаэрации и других операций.

Чтобы раствор был достаточно однородным, полимер должен самопроизвольно смешиваться с растворителем в тех соотношениях, в которых вещества используются в выбранной композиции, то есть, чтобы смесь полимера растворителя была термодинамически устойчивой. Однако если к получаемому пленочному материалу не предъявляются высокие требования по прозрачности, то можно использовать принудительное смешение термодинамически несовместимых компонентов, расслоение которых за время эксплуатации продукта не сопровождается изменением показателей его свойств, сверх допустимых пределов. Такие материалы принято считать «эксплуатационно устойчивыми».

Сохранение свойств материала в процессе эксплуатации возможно только при сохранении функций компонентов композиции. Поэтому при выборе растворителя следует уделять большое внимание химической стойкости и

индифферентности растворителя по отношению к другим компонентам композиции. Кроме этого, к растворителям предъявляются общие

требования экономического характера. Они заключаются в низкой стоимости и доступности растворителя, но и в легкости его рекуперации.

Для очистки от механических примесей полученный раствор фильтруют через рамные фильтр-прессы или фильтры других конструкций. Отфильтрованный раствор должен быть освобожден от пузырьков воздуха посредством вакуумирования или выдержки при повышенной температуре.

63

Основная операция процесса — отлив пленки — производится в наливочных машинах ленточного или барабанного типа (рис. 12.2, 12.3).

Рис. 12.2 Упрощенная схема отливочной машины ленточного типа: 1 — барабаны; 2 —бесконечная лента; 3— кожух; 4 — фильера

Рис. 12.3 Схема отливочной машины ленточного типа:

1 — фильера; 2 — трубопровод для циркуляции паров растворителя; 3 — направляющий барабан; 4 — выхлоп паров растворителя; 5 — охлаждающий цилиндр; 6 — расправляющие и намоточные валки; 7 —шкаф (камера) для досушки пленки.

64

Рис. 12.4 Различные фильеры для отливки пленок из раствора:

а — мажущая; б — с валиком (1 — неподвижная стенка; 2 — подвижная стенка; 3 — кронштейн с винтом; 4 — пружина, прижимающая стекло; 5 — нож; 6 — вращающийся валик).

Рис. 12.5 Упрощенная схема мажущей фильеры:

1—неподвижная стенка; 2—подвижная стенка; 3— валик; 4—лента; 5—нож

Рис. 12.6 Упрощенная схема льющей фильеры:

1 и 2 — камеры; 3 — подвижная стенка; 4 — ручной привод для подъема и опускания стенки; 5 — перегородка; 6 — лента

При высокой вязкости растворов применяют фильеры, принцип действия которых основан на размазывании высоковязкой жидкости. Фильеры такой

65

конструкции (рис. 12.4, а) получили название мажущих. Их используют при вязкости растворов 2,5—3,5 кПа-с. Для низковязких растворов (1,2—1,5 кПа- с) применяют так называемые льющие фильеры. Растворы из фильер такой конструкции самотеком выливаются на поверхность бесконечной ленты. В тех случаях, когда необходимо получать тонкие пленки или наносить на подложку тонкий клеевой или лаковый слой, используют фильеры с валиком. Изображенная на рис. 12.4, б схема дает представление о принципе действия фильер с валиком. Толщину слоя раствора, наносимого на поверхность бесконечной ленты, можно регулировать, изменяя зазор щели фильеры.

Мажущая фильера (рис. 12.5) представляет собой корыто треугольного сечения. Боковые и передняя стенки неподвижны, а нижняя часть задней стенки может отходить от передней или приближаться к ней, образуя щель, через которую раствор из фильеры поступает на ленту. Под фильерой расположен валик 3, вращающийся в направлении, противоположном движению ленты 4. Валик срезает избыток раствора и регулирует таким образом толщину пленки. Для создания запаса раствора на ленте служит нож (ракля) 5, расположенный также под фильерой.

Льющая фильера (рис. 12.6) состоит из двух камер, разделенных не доходящей до основания перегородкой 5. Раствор поступает вначале в камеру 1, протекает под перегородкой 5 в камеру 2 и через нижнюю щель выливается на ленту. Такая система подачи выравнивает поток, устраняя влияние неравномерности поступления его в камеру 1.

В последнее время предпочтение отдают приемным устройствам барабанного типа. По сравнению с ленточными машинами они более компактны и просты в изготовлении, так как не требуют сварки металлических листов специального состава в непрерывную ленту.

Диаметры отливочных барабанов колеблются в пределах от 1,5 до 5,5 м. Ширина барабана также может быть разной. Обычно она равна 1,2—1,5 м. Полированную поверхность барабана покрывают слоем серебра, никеля, а в некоторых случаях дополнительно «зеркальным» слоем желатины или производных целлюлозы. Равномерность температуры поверхности барабана обеспечивается за счет циркуляции воды в его внутренней полости. Режим сушки пленки определяется температурой и скоростью подачи теплоносителя в герметичный кожух, окружающий барабан.

Несмотря на ряд достоинств машин, оснащенных барабанами, в настоящее время еще достаточно широко применяются установки

ленточного типа.

На двух валках-барабанах натянута бесконечная лента из меди или полированной нержавеющей стали, ширина которой обычно не превышает 1,5 м. Минимальное значение ширины ленты не лимитировано. Длина ленты определяется заданной интенсивностью процесса сушки. Поверхность ленты не является достаточно ровной и глянцевой, поэтому ее покрывают

66

зеркальным слоем желатины или ацетилцеллюлозы, который при изнашивании наносят вновь. Возможен отлив пленки непосредственно на металлической ленте, но при условии ее тщательной полировки и изготовления из металла, не подвергающегося действию выливаемого раствора. Кроме этого «зеркальный» слой служит для облегчения снятия пленки с поверхности бесконечной ленты. Поэтому основные требования к «зеркальному» слою включают: хорошую адгезию к металлической поверхности барабана или ленты, плохую адгезию к отливаемой пленке, хорошую смачиваемость раствором и достаточно высокую долговечность. «Зеркальный» слой наносят в несколько приемов, и, по существу, он состоит из нескольких слоев. Если покрытие бесконечной ленты выполнено из ацетата целлюлозы, то его верхний слой подвергают омылению с помощью спиртового раствора щелочи и промывке водой.

Для удаления легколетучих растворителей, таких, как метиленхлорид, используют машины с расстоянием между валками, на которых натянута бесконечная лента, равным 5—6 м. Для производства пленок из водных растворов применяют машины с длиной бесконечной ленты от 28 до 86 м.

Сушку пленки осуществляют продуванием нагретого газа. Когда концентрация паров растворителя не достигает нижнего предела взрываемости, в качестве газа (сушильного агента) можно использовать воздух. При опасности взрыва воздух заменяют инертным газом.

Условия получения пленок из раствора приводят к образованию слоистой структуры. В такой пленке можно выделить три слоя.

Верхний, «воздушный» слой отличается наибольшей плотностью упаковки структурных образований. В этом слое наиболее полно протекают релаксационные процессы, облегчаемые диффузией молекул растворителя из глубинных слоев на поверхность пленки.

Нижний, «зеркальный» слой пленки, соприкасающийся с зеркальной твердой поверхностью, характеризуется наименее устойчивой плоскоориентированной структурой. Она неравновесна при данных термодинамических условиях (концентрации, температуре, давлении и т. п.). Перестройка структуры в соответствии с изменениями условий в процессе сушки тормозится вследствие фиксирующего действия твердой подложки. Сокращение объема системы сопровождается сохранением плоскостных размеров пленки.

При достаточно большой толщине пленки между «воздушным» и «зеркальным» слоями находится внутренний слой, состоящий из неориентированных элементов структуры. Средний слой изотропен. Неплотная упаковка структурных элементов обусловлена присутствием некоторого количества растворителя, не удаленного в процессе сушки.

67

релаксационных процессов, приводящих к изменению геометрических размеров пленки во времени.

В ряде случаев усадка пленок нежелательна. Для уменьшения усадки пленок, получаемых по описанной технологии, их подвергают термической обработке или просто выдерживают в рулонах в течение времени, необходимого для протекания релаксационных процессов, определяющих усадку.

Для получения пленок с однородной структурой и ускорения диффузии растворителя из внутренних слоев материала к поверхности испарения процесс испарения замедляют, уменьшая градиент концентрации среды. С этой целью применяют теплоноситель с повышенным содержанием паров растворителя. Циркуляцию теплоносителя организуют по двум схемам. В тех случаях, когда не надо повышать содержание паров растворителя в теплоносителе, пользуются открытым способом. В этом случае сухой воздух (содержащий не более 8 г влаги на 1 кг воздуха) после насыщения парами растворителя направляют на рекуперацию. Более распространена схема замкнутой циркуляции теплоносителя. В соответствии с этим способом теплоноситель, представляющий собой смесь азота с парами растворителя, циркулирует в замкнутой системе.

Пленка на выходе из отливочной машины может содержать некоторое количество растворителя. Удаление остаточного растворителя проводят в специальных камерах досушки, представляющих собой шкаф с застекленными боковыми стенками. Камера досушки разделена не доходящими до потолка перегородками на три зоны. Каждая зона оснащена самостоятельной системой подачи и отсоса воздуха, который предварительно подогревают и подают противотоком движению пленки. Из третьей зоны, наименее богатой парами растворителя, воздух поступает в первую зону, где он обогащается парами растворителя, после чего его можно подавать на рекуперацию.

Процесс рекуперации может быть осуществлен адсорбционным, абсорбционным или конденсационным способом. Абсорбционный метод основан на поглощении паров растворителя жидким, а адсорбционный - твердым поглотителями; после поглощения следует десорбция растворителя. Второй метод, наиболее распространенный в практике, состоит в пропускании паровоздушной смеси через слой активированного угля.

Очищенный от паров растворителя воздух выбрасывается в атмосферу. Остаточная концентрация паров растворителя в воздухе, выбрасываемом в атмосферу, не должна превышать предельно-допустимых значений.

Конденсационный метод позволяет осуществлять процесс по замкнутому циклу. При этом методе теплоноситель циркулирует по схеме: сушильные каналы машины — конденсатор — подогреватель.

Контрольные вопросы к лекции

68

1.Из каких полимеров получение пленок возможно только методом полива из раствора?

2.Материалы, перерабатываемые методом полива из раствора.

3.Недостатки и достоинства метода полива, из раствора.

4.Схема производства пленок методом полива из раствора.

5.С помощью какого конструктивного элемента отливочной машины осуществляется равномерное распределение раствора полимера по ширине непрерывно движущейся ленты отливочной машины?

6.Каким образом должна зависеть вязкость раствора полимера от температуры для облегчения операций фильтрования, деаэрации и пр.?

7.В каком случае рекомендуется использование мажущей фильеры в процессе получения пленок поливом из раствора?

8.В каком случае рекомендуется использование льющей фильеры в процессе получения пленок поливом из раствора?

Лекция №13

Армирование полимерных материалов -

это процесс введения в полимерную матрицу высокопрочного волокна. В результате получают, так называемые "армированные волокном пластики" (АВП).

Они обладают ценными свойствами:

∙высокой прочностью при небольшом весе,

∙значительной коррозионной стойкостью;

∙простотой изготовления.

Методом армирования волокнами возможно получить изделия, отличающиеся многообразием областей использования, а именно: в космической технике, при создании морских судов (обшивка), для изготовления танков, предназначенных для хранения кислот.

"Армированные волокном пластики" представляют собой полимерный материал, специальные свойства которого обусловлены введением в него армирующих волокон. Основными материалами, из которых изготовляют армирующие волокна (как мелко нарезанные, так и длинные), являются стекло, графит, алюминий, углерод, бор и бериллий. Самые последние достижения в этой области связаны с использованием в качестве армирующих волокон полностью ароматического полиамида, что обеспечивает более чем 50%-ное уменьшение веса по сравнению с армированными пластиками на основе традиционных волокон. Для армирования также используются и натуральные волокна, такие, как асбест и пр. Выбор армирующего волокна прежде всего определяется требованиями, предъявляемыми к конечному продукту. Однако стеклянные волокна до сих пор остаются широко используемыми и вносят основной вклад в промышленное производство "армированных пластиков".

69