Химическая промышленность

Формование реактопластов на матрице

Метод формования реактопластов на матрице — это процесс, в котором заполнение и смыкание формы заставляет формуемый материал принимать заданную конфигурацию, причем отверждение его происходит в самой форме.

Такое определение предполагает большое число различных подпроцессов и материалов:

  • формование матов и предварительно отформованных заготовок;
  • премиксов из армированных формовочных композиций;
  • листовых формовочных материалов и листовых формовочных композиций с диагональным переплетением волокон, а также процессы прямого прессования, литьевого прессования и литья под давлением реактопластов, холодного прессования и совместного формования и др.

Во всех случаях формования реактопластов на матрице используются форма или штамп. Форма, или комплект формующих деталей, обычно состоит из двух основных частей: матрицы и пуансона, причем одна из них входит в другую с соблюдением заданного зазора между ними. Для получения сложных изделий иногда требуются специальные формы, состоящие из нескольких основных элементов.

Метод прямого прессования армированных композиций в принципе не сильно отличается от формования обычных реактопластов. Главное различие заключается в природе самой композиции.

Вместо свободно текущих порошков или чистых, сухих заранее приготовленных таблеток на формование поступает или листовой формовочный материал, содержащий смолу, наполнители и армирующие волокна, от которого надо предварительно отделить защитную полиэтиленовую пленку и нарезать его, или материал, представляющий собой формовочную пасту, содержащую смолу, наполнители и армирующие волокна, причем во всех случаях материал необходимо тщательно взвешивать, так как пресс-форма должна быть заполнена полностью и в то же время не остаться приоткрытой из-за перегрузки.

Премикс — армированная волокном термоактивная формовочная композиция, которая после получения не нуждается в дальнейшем отверждении, сушке для удаления летучих веществ или

в других технологических операциях и готова для переработки на литьевом прессе и которая может быть отформована без образования побочных продуктов реакции при приложении давления, достаточного только для течения и уплотнения материала. Это отличает ее от композиций фенольных, меламиноформальдегидных и карбамидных смол, которые выделяют воду в качестве побочного продукта реакции и требуют приложения высокого давления для предотвращения образования пара, а в дальнейшем — и пор в изделии.

Данное определение применимо как к листовым формовочным материалам, так и к формовочным пастам. Однако эти материалы имеют принципиальные различия, касающиеся их механических свойств, методов получения, формы, в которой они поступают на дальнейшую переработку. В состав как тех, так и других материалов могут входить одни и те же основные компоненты.

Листовые формовочные материалы поступают на переработку в виде тонких полулипких листов, которые нарезают и укладывают стопкой по конфигурации, соответствующей формируемому изделию. Эти операции производятся в машине, где предварительно полученная смесь смолы, наполнителя и прочих компонентов соединяется с армирующим волокном таким образом, что смачивание волокон не приводит к их слишком сильному перемешиванию, благодаря чему их исходные прочностные характеристики в значительной степени передаются композиции. Должна быть подобрана такая композиция смолы, которая после смачивания или пропитки армирующего материала загустевает до необходимой для формования вязкости.

Типичный состав листового формовочного материала:

  • стекловолокно (длина 15−50 мм) — 27 %,
  • наполнитель (тальк) — 40 %,
  • смола (полиэфирная, винилэфирная) — 28 %,
  • прочие добавки — 5 % масс.

Каждый компонент вносит определенный вклад в достижение заданных свойств ПКМ. Смола является связующим, обеспечивающим в ходе переработки трехмерное сшивание, связь отдельных компонентов и играет важную роль для достижения требуемых термомеханических характеристик. Применение химически стойких смол позволяет получать пресс-материал, обладающий высокой атмосферостойкостью.

Минеральные наполнители обеспечивают транспортировку стекловолокна при течении материала, позволяют существенно снизить его стоимость и, в случае гидроксида алюминия, значительно повышают огнестойкость материала.

Применяемые наполнители по химическому составу можно разделить на четыре группы: кремнеземы и силикаты, карбонаты, сульфаты, оксиды. Практически, однако, можно использовать любой материал, размер частиц которого не превышает 0,5−50 мкм. Компенсаторы усадки (термопласты — полиэтилен, акриловые смолы, полистирол, ацетобутират целлюлозы, поливинилхлорид, поливинилацетат, поликапролактон) обеспечивают высококачественную поверхность изделия без утяжек и коробления, что является одним из основных условий использования таких премиксов для кузовных и других видов изделий.

Армирующее волокно обеспечивает механическую прочность изделий. Обычно волокна в листах ориентированы в двух направлениях. Катализаторы обеспечивают инициацию химических реакций трехмерного сшивания. Правильный подбор катализаторов является важнейшим условием получения высококачественных деталей без недопрессовок, трещин и раковин.

В композицию могут также входить загустители, пигменты и др. Большинство изделий формуют из полиэфирных смол, армированных стекловолокном. Однако применяют и другие, не содержащие растворителей смолы, такие как эпоксидные и виниловые полиэфиры, а также другие типы волокон: лубяное, асбестовое, углеродное, арамидное, рубленые найлоновые отходы и даже рубленая древесина. Практически неограниченная возможность варьирования типов смол, наполнителей и армирующих материалов и их соотношений позволяет подбирать композицию для получения изделий любой конструкции и с любыми эксплуатационными свойствами.

В зависимости от конкретного изделия могут использоваться различные типы листовых формовочных материалов, отличающиеся по своим характеристикам. Общими для всех являются минимальная технологическая усадки и высокая ударная вязкость. Листовые формовочные материалы перерабатываются прямым прессованием в крупногабаритные корпусные детали (рис. 1).

Формование прессованием

Рис. 1. Формование прессованием1, 2 — нижняя и верхняя части пресс-формы; 3 — листовой формовочный материал

При прессовании предварительно раскроенный материал укладывается в форму. Время смыкания форм 2−3 мин, температура нагрева 120−160 °С. Во время прессования используется высокое давление. С учетом площади проекции формуемых изделий оно должно составлять для изделий простой формы 3−5 МПа, а сложной — 15 МПа.

В соответствии с этими требованиями необходимо конструировать пресс-форму и выбирать прессовое оборудование. Металлические формы для переработки листовых формовочных материалов должны быть изготовлены из кованой или легированной стали. Поверхность форм хромируют. Зазор между двумя половинами формы в среднем по всему периметру не превышает 0,05−0,2 мм с тем, чтобы сохранялось заданное давление формования. Жесткие направляющие втулки обеспечивают точность смыкания формы и не допускают нарушения соосности при приложении давления и смятия торцов пресс-формы.

Последовательность основных стадий формования следующая:

  1. Раскрой (разрезка) листового формовочного материала. При серийном производстве используют автоматическую режущую машину.
  2. Пакетирование нарезанного листового формовочного материала в соответствии со схемой его размещения в форме.
  3. Загрузка материала в пресс-форму. При переработке листовых формовочных материалов в изделия эта операция оказывает большое влияние на прочность и внешний вид изделий.
  4. Смыкание верхней и нижней частей пресс-формы.
  5. Повышение давления и температуры (для связующих на основе ненасыщенных полиэфирных смол и поливиниловых эфиров температуpa составляет обычно 130−1400 °С, для улучшения внешнего вида пресс-формы температура должна быть на 5−100 °С выше). Время выдержки под давлением определяется конфигурацией изделия (главным образом его толщиной) и составляет несколько минут.
  6. Разъем формы и извлечение из нее изделия.
  7. Окончательная отделка (зачистка) готового изделия.

Для повышения прочности и жесткости изделий часто стремятся применять листовые формовочные материалы с высоким содержанием армирующих волокон. Однако в этом случае ухудшаются реологические свойства композиции. На поверхности изделий могут появиться незащищенные связующим армирующие волокна и возникнуть другие осложнения.

Рецептура листовых формовочных материалов позволяет получать изделия сложной формы за весьма короткий цикл формования. Поэтому эти материалы и метод их формования получили распространение в промышленном производстве серийных изделий. Существенными преимуществами таких материалов по сравнению со сталью являются высокая коррозионная стойкость и низкий удельный вес.

Прочность и жесткость изделий из листовых формовочных материалов несколько ниже, чем у изделий из других препрегов; для улучшения свойств изделий иногда используют сочетание листовых формовочных материалов и однонаправленных или тканевых препрегов.

Основными областями применения листовых формовочных материалов являются автомобилестроение, транспортное машиностроение, светотехника, электрические сети. Наиболее ярким достижением является использование автомобилестроительными компаниями масляных поддонов картера и клапанных крышек в серийных моделях грузовиков.

В качестве исходных заготовок при формовании ПКМ на матрице используют также формовочные пасты, содержащие смолу, наполнители, армирующие волокна. Пасты получают, перемешивая все ингредиенты в высокопроизводительных смесителях. Из них материал выходит в виде волокнистой мастики, которую сразу же можно пускать на последующую переработку (после взвешивания порций).

Некоторые композиции можно уплотнять и экструдировать в виде прутков или стержней с простым поперечным сечением, что облегчает дальнейшее обращение с ними.

Типичный состав формовочной пасты:

  • стекловолокно (5−20 мм) — 20 %,
  • наполнитель (тальк) — 45 %,
  • смола (полиэфирная, винилэфирная) — 30 %,
  • прочие добавки — 5 % масс.

Из-за значительно меньшей, чем у листового формовочного материала, длины стекловолокна пасты имеют большую текучесть, но менее высокие прочностные характеристики. Такой материал может перерабатываться прессованием или инжекцией. При прессовании используются металлические подогреваемые матрицы. Давление от 30 до 100 атм.

Температура нагрева 100−160 °С. Время смыкания форм составляет 2−3 мин, в это время осуществляется подогрев и инициируется реакция полимеризации. При инжекционной формовке используются шнековые инжекционные машины, подающие материал в полость закрытой формы. Эта технология получила распространение при производстве деталей сложной формы, к примеру, корпусов насосов, компонентов электроприборов и т. п.

Формование с помощью вспененного слоя. Этот метод называется также формованием с отжимом связующего. Процесс формования проводят следующим образом (рис. 2).

С двух сторон пенопласта с сообщающимися порами (например, пенополиуретана), пропитанного полимером, укладывают армирующие материалы в виде ткани, мата и т. д. Пакет помещают в пресс-форму и под давлением выжимают связующее из пенопласта, которое проникает в находящиеся с двух сторон от него слои армирующих материалов.

Повышая температуру, отверждают пакет и получают изделие, содержащее в центре слой пенопласта. Достоинством этого процесс является простота технологии, обусловленная использованием волокнистого армирующего материала в сухом виде. В результате одной операции можно получать легкие трехслойные изделия (в виде сандвича), обладающие высокой жесткостью.

Кроме того, метод не требует высоких давлений; обычно давление составляет 1−1,7 МПа, что снижает затраты на изготовление форм. Следует отметить, что этот метод применим для получения изделий сравнительно простой формы. Метод разработан сравнительно недавно, и для его дальнейшего распространения требуется решить ряд технических задач.

Схема процесса формования «вспененной емкостью»

Рис. 2. Схема процесса формования «вспененной емкостью»а — форма открыта; б — форма частично закрыта; в – форма полностью закрыта, пенопласт сжат, смола выжимается в наружные слои; 1 — пуансон; 2 — сухой волокнистый армирующий материал; 3 — матрица; 4 — пропитанный смолой пенопласт

Термокомпрессионный метод формования. Этот метод называют также формованием полимеров в эластичной оснастке, формованием с термическим расширением и т. д., но устоявшегося названия он еще не имеет. Метод осваивается в настоящее время для получения изделий из наиболее прогрессивных материалов, какими являются, в частности, углепластики. Свое название он получил благодаря тому, что в качестве материала матрицы используют силиконовые каучуки и другие расширяющиеся при нагревании эластомеры, вследствие температурной деформации которых создается давление формования. Схема процесса показана на рис. 3, а.

Термокомпрессионное формование

Рис. 3. Термокомпрессионное формованиеа — до помещения контейнера в печь; б — после обработки в печи; 1 и 2 — нижняя и верхняя части контейнера; 3 — кремнийорганическая резина; 4 — препрег

На форму нижней части контейнера укладывается препрег, а сверху устанавливается верхняя часть контейнера с вкладышем из кремнийорганической резины. Контейнер помещается в печь. При нагреве вкладыш расширяется и создает давление на формуемый материал. Таким методом реализуется давление, которое может достигать 30 атм. Метод очень эффективен, обеспечивает высокую культуру производства. В то же время ему присущи некоторые недостатки.

Ресурс вкладышей невысок, так как резина не выдерживает многократного нагружения при высоком давлении и разрушается. При сложном рельефе детали (рис. 3, б) давление на препрег существенно отличается в зонах с большим (А) и малым (Б) объемами. Примером практического применения этого метода может служить изготовление некоторых деталей стратегических бомбардировщиков В-1 из выпускаемого в США материала марки «Сайн кабу супа». Известно, что в Японии аналогичным методом получают основные элементы конструкций.

Комбинированные способы формования. В целях повышения прочности детали, качества поверхности или снижения энергетических затрат используют комбинации из разных схем. На рис. 4 показан способ, сочетающий термокомпрессионное и автоклавное формование.

Комбинированное формование

Рис. 4. Комбинированное формование1 — форма; 2 — препрег; 3 — резиновые вкладыши; 4 — оболочка

В автоклав устанавливается форма с препрегом. В углубления помещают вкладыши из резины, а сверху — герметичную оболочку. Из-под оболочки откачивается воздух, а в автоклаве создается давление и повышенная температура. В результате происходит комбинированное формование давлением воздуха и расширением резины.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.