В XXI веке развитых технологий находят применение искусственно созданные полимеры и пластмассы, этих материалов нет в природе, поэтому для получения качественных экземпляров требуется тщательно налаженный технологический процесс. Пластик из-за специфических свойств находит широкое применение в качестве материала, позволяющего экономить употребление дорогостоящих цветных металлов, снижать массу узлов и деталей. С помощью современных технологий процесс изготовления пластиковых изделий полностью автоматизирован, незначительные операции механической обработки сведены к минимуму.
Выбор пластмасс
Основными условиями выбора служат технологические и эксплуатационные свойства. В помощь технологу созданы сравнительные таблицы, содержащие марки материалов с описанием технических характеристик, при этом указаны радиотехнические и электрические свойства, диэлектрическая проницаемость, механические и прочностные показатели. Указаны коэффициенты износа и трения, Пуассона, показатели теплового расширения и другие характеристики.
Для классификации пластмасс используют следующие признаки:
- вид используемого наполнителя;
- эксплуатационные качества;
- назначение для применения в различных областях;
- значение некоторых важных параметров и эксплуатационных характеристик.
Что такое литье пластмасс
Крупносерийное и массовое производство пластиковых деталей предусматривает сложный технологический процесс по впрыскиванию расплавленного пластика под высоким давлением в подготовленную литьевую форму, изготовленную из металла. Жидкая масса равномерно заполняет объем и кристаллизируется, приобретая требуемую форму. Благодаря технологии литья с давлением удается получить качественные изделия. Для реализации метода применяется сложное дорогостоящее оборудование, обеспечивающее высокую производительность. С использованием данного способа производится почти половина полимерных деталей. В качестве сырья для производственного процесса применяются гранулы термопластов, а также термореактивные порошки, придающие готовым изделиям требуемые физические и эксплуатационные качества. Термопластичные компоненты сохраняют свои параметры при вторичной переработке, а термореактивные подвергаются невозвратным химическим реакциям и образуют неплавкий материал.
Подготовленные полимерные компоненты загружаются в бункер литьевой машины, в котором они плавятся и гомогенизируются. Далее масса на скорости, благодаря создаваемому давлению, впрыскивается через специальные каналы в подготовленную форму. Происходит быстрое заполнение полости. После застывания образуется отливка. От скорости впрыска зависит качество полимерных изделий. Большей популярностью пользуются червячные пластикаторы. Они характеризуются высокой производительностью и лучшей гомогенизацией расплавленной массы. Менее популярное оборудование поршневого типа. Оно обеспечивает подачу расплавленного полимера с высокой скоростью в литьевую форму и предоставляет возможность получить эффект мрамора в случае подготовки смеси из разноцветных пластмасс. На производстве допускается использование раздельного метода. Он предусматривает подготовку расплавленной массы в предпластикаторе с червячным механизмом, а дозирование и впрыскивание вязкой массы в форму выполняется благодаря оборудованию поршневого типа.
Производство изделий из пластмасс
Основными операционными процессами переработки пластмасс и полимеров в процессе производства являются:
- подготовка материала к технологическому производству;
- выбор необходимого количества исходного сырья;
- таблетирование массы и предварительное разогревание (в некоторых случаях);
- формование заданного изделия;
- окончательная отделка механическим или станочным способом.
Горячий метод формования
Главным для производства является получение качественной продукции при высокой производительности. Говоря о качестве изделия, упоминают о структурных молекулярных показателях:
- аморфные полимеры характеризуются ориентацией;
- кристаллизующиеся полимеры отличаются множеством надмолекулярных образований на всех этапах агрегации, поэтому используют способ заданной кристаллизации.
Надкристаллическая структура кристаллизующихся полимеров многообразна, поэтому материалы с одинаковыми свойствами при обработке в различных условиях дают изменяющиеся свойства деталей. Стабильность определенного набора свойств решается с помощью точного выбора и исполнения требуемых режимов обработки полимеров.
Предварительная сушка полимеров
Технологические карты процесса и качество полученной продукции определяются влажностью и температурой пластика. На подготовительном этапе делается сушка или увлажнение для приведения показателей в требуемую норму. Водяные молекулы обладают свойством полярности и быстро вступают в связи с полярными полимерами, из-за этого поглощается влага из окружающей среды. Увеличение полярности способствует усиленному поглощению, и наоборот. Некоторые полимеры изначально негигроскопичны, что не дает возможности на подготовительном процессе насытить их влагой.
Увеличение влажности материала на подготовительной стадии уменьшает его текучесть, избыток влаги снижает взаимодействие молекул и влияет на уровень гидролитической деструкции. Насыщение влагой уменьшает прочность, показатель удлинения при разрыве, сопротивление диэлектрическому проникновению. На поверхности детали после производства появляются белесые и серебристые разводы, волны, вздутия, пузыри, пустые поры, отслоения, трещины. Иногда такие дефекты проявляются только при прессовании.
Низкая влажность ведет к структурированию, которое является одним из видов деструкции, при этом снижается текучесть полимера. Изменение влажности может происходить не только в процессе производства, но и при эксплуатации. При этом разрушение детали повторяется в указанных параметрах. Сушка полимерных материалов используется для уменьшения влажности. Для материалов, склонных к термоокислительной деструкции применяется сушка в вакууме, это позволяет увеличить температуру и уменьшить время сушки.
В процессе сушки применяют типы сушилок:
- барабанные;
- ленточные аппараты-конвейеры;
- турбинные камеры;
- вакуум-сушилки.
Чтобы уменьшить влажностные показатели порошкообразных и гранулированных термопластов используют бункер с системой подогрева. Иногда летучие вещества и влагу убирают в процессе расплава, при этом во время пластификации снимают давление на определенном шнековом участке. Как следствие, происходит расширение нагретых газов, которые удаляются с помощью вакуумного отсоса.
Подготовка материалов к переработке
Сушку полимеров заканчивают непосредственно перед обработкой, при этом рекомендуется оставить показатели, которые ниже требуемых. Если требуется некоторое время хранения перед производством, то высушенному материалу организуют тщательные сухие условия. Если гигроскопичность полимеров низкая, то такие материалы не сушат, а только подогревают перед технологическим процессом. Слишком низкая влажность требует повышения показателя выдерживанием экземпляра в воздухе с высокой влажностью или опрыскивания ацетоном, спиртом, водой.
Таблетирование материалов
Формование в условиях сжимания пластмасс порошкообразного типа называется таблетированием для производства определенной формы таблеток с заданными параметрами плотности и размеров. В результате процедуры лучше дозируется сырьевая масса, из материала удаляется большая часть воздуха, что ведет к повышению теплопроводности.
Для процесса применяют таблеточные машины:
- гидравлические с выполнением 5−35 циклов за минуту;
- эксцентриковые — 16−40 циклов;
- ротационные — 65−605 циклов.
Предварительный разогрев материалов
Процедура делается только для реактопластичных заготовок (волокнитов и порошков). Прогрев осуществляется в генераторах, производящих токи с высокой частотой. Иногда используют контактные нагреватели непосредственно перед помещением материала в прессовальную форму для ускорения прессования. Нагрев высокочастотными токами снижает предел прессовальной нагрузки, что продлевает время службы пресса, увеличивает производительность, снижает затраты на выпуск изделий из пластмассы.
Пластмассы относят к диэлектрикам и полупроводникам, они нагреваются в ТВЧ из-за поляризации зарядов элементарного порядка. Малое число свободных зарядов в диэлектрике ведет к появлению тока проводимости. Происходит смещение электрополя с некоторым запаздыванием по частоте из-за трения молекул. Количество тепла на выходе пропорционально частоте поля.
Производство полимерных материалов
Полимеры – высокомолекулярные, химические соединения, в которых мономеры соединены валентными связями. Термин «полимерия» ввел в употребление в 1833 году И.Берцелиус. Химия полимеров началась с момента, когда А.М.Бутлеров создал теорию химического строения. Далее химия полимеров развивалась в направлении создания искусственного каучука.
Разнообразие Все полимеры систематизируются в зависимости от их свойств и происхождения: неорганические и органические, кристаллические и аморфные. По происхождению: -биополимеры (природного происхождения: белки, нуклеиновые кислоты); -искусственные (созданные человеком из природных полимеров, целлулоид, нитроцеллюлоза); — синтетические (полиэтилен, полипропилен). В промышленности используются искусственные и синтетические. По структуре: -линейные (расположение групп атомов представлено в виде цепи или последовательности циклов, вытянутых в линию, например каучук); -цепи с разветвлением (хорошо плавятся и растворяются, амилопектин); — трехмерная сетка или пространственные (сшитые полимеры, хуже плавятся и растворяются). По разнообразию мономерных звеньев: -гомополимеры (мономерами являются одинаковые звенья: целлюлоза, поливинилхлорид); — сополимеры (состоят из разных мономерных звеньев). Сополимеры бывают двух видов. Сополимеры, у которых мономерные звенья достаточно длинные, их последовательность не прерывается, это блок-сополимеры. К внутренним звеньям могут присоединяться цепи другого строения, их называют привитыми. Если главная цепь полимеров состоит из разнообразных атомов, их называют гетероцепные. Это могут быть атомы углерода, фосфора, азота, кремния. Гомоцепные соединения, у которых главная цепь построена только из атомов углерода. К гетероцепным относят полиэтилентерефталат, полиамиды, белки. К гомоцепным – полиэтилен, полиметилметакрилат. Полимеры, состоящие из углеводородных групп и неорганических элементов, называют элементоорганическими. Неорганические полимеры образуют отдельную группу (пластическая сера, полифосфонитрилхлорид).
Производство полимерных материалов Синтетические полимеры производятся человеком из мономеров путем полимеризации или поликонденсации. По названию синтетического полимера, можно определить, какой природный мономер входит в состав. Этилен-полиэтилен, пропилен – полипропилен. Полимеризация это процесс получения полимера, с помощью многоразового последовательного присоединения звеньев мономера к активно растущему центру полимера. Полимеризация бывает двух видов: радикальная и ионная. Радикальная полимеризация инспирируется свободными радикалами. Этот процесс происходит с чередованием нескольких этапов. Первый этап – это образование активных центров полимеризации. Называется инициирование, происходит в результате разных видов воздействия: химического, радиоактивного, теплового. Далее идет этап роста цепи, то есть присоединение звеньев мономера к активному центру, следствием чего становиться получение новых радикалов. Следующий этап – передача цепи. Активный центр переходит на другую молекулу. Затем образуется несколько активных центров и происходит разветвление цепи. Заключительный этап – обрыв цепи, когда активные центры погибают. При образовании малоактивных радикалов, которые не могут инспирировать реакцию может быть обрыв цепи. Такие радикалы называются ингибиторами. Длина и молекулярная масса макромолекулы регулируется ингибиторами, инициаторами и другими веществами. Радикальная полимеризация применяется для получения полиэтилена, полистирола и других. Ионная полимеризация происходит в несколько этапов: — вначале образуются активные центры; — далее происходит рост цепи и её гибель. Но в данном случае роль активных центров играют анионы и катионы. Различают, следовательно, анионную и катионную полимеризацию. В результате ионной полимеризации получают синтетический каучук, полиизобутилен и. другие. Полимеризацию проводят в эмульсии, массе, растворе, газовой фазе, суспензии. Полимеризация в эмульсии – это полимеризация мономера, измельченного в воде. Получают каучук, поливинилхлорид, полистирол и другие. Когда проводится полимеризация в массе, жидкий мономер находится в неразбавленном состоянии. Преимущество данного вида полимеризации в образовании достаточно чистого полимера. Суспензионная полимеризация, это когда мономер пребывает в виде капель в воде или в другой жидкости. Суспензионной полимеризацией получают полимерные гранулы. При газовой полимеризации мономерное звено присутствует в газообразном состоянии, а полимер – в твердом или жидком. Применяется для получения пропилена.
Поликонденсация – это образование полимеров из многофункциональных соединений. В результате могут выделяться побочные продукты: спирт, вода и т. д. Поликонденсация бывает линейная и трехмерная. В линейной поликонденсации могут вступать один мономер, имеющий две функциональные группы и два мономера, имеющие много функциональных групп. В трехмерной поликонденсации мономеры имеют более чем две функциональные группы, формируются сшитые полимеры трехмерной сетчатой структуры. Чтобы получить такие вещества к мономерам добавляют «сшивающие» функциональные группы. К линейным полимерам можно отнести полиамиды, полиуретаны, полиэфиры и т.д. К сетчатым относятся: алкидные смолы, меламиноальдегидные смолы. Полимеры, применяемые в производстве, бывают простые и сложные, их ещё называют не наполненные и наполненные. К простым полимерам относят полиэтилен, органические стекла и т.д. Сложные полимеры имеют ряд добавок вследствие чего, они обладают необходимыми, заданными свойствами. К основным компонентам относятся: -связующие вещества, роль которых связывать все компоненты смеси в единый монолит; -наполнители, которые совершенствуют физико-механические свойства, тем самым снижают расход связующего материала; -пластификаторы, придающие текучесть и пластичность; -отверждающие вещества и катализаторы, для сокращения времени на отвердение полимеров (состояние, в котором полимеры не изменяются); -стабилизаторы – вещества замедляющие процесс старения полимера. Производство полимерных материалов активно развивается. Сейчас полимеры заменяют многие дорогие цветные металлы. Их применение снижает массу изделий, трудоемкость продукции, увеличивает срок службы изделия.
Изготовление пластиковых изделий
Существует несколько способов получения пластиковых деталей
Литье пластика под давлением
Используют для выпуска реакто— и термопластов. При таком способе материал в гранулированной форме идет в цилиндр машины, где происходит его прогревание и перемешивание оборачиваемым шнеком. Если используется не шнековая, а поршневая машина, то пластификация происходит прогревом. Разогрев термопластов ведется до 200−350˚С, реактопласты требуют 85−120˚С. Готовый материал поступает в форму для литья, где охлаждается (термопласты до 25−125˚С, реактопласты — 155−195˚С). В форме бывшее сырье держат для уплотнения под давлением, что влияет на порог усадки, снижая его.
Интрузия
Позволяет на том же агрегате изготовить детали значительно большего размера и объема. При предыдущем процессе литье пластифицируется поворачивающимся червяком, а подается в форму при его поступательном перемещении. Интрузия предполагает использование сопла с имеющимся широким каналом для перетекания литья в форму до начала поступательного движения червяка. Общая продолжительность циклического процесса не становится больше, но метод показывает высокую производительность.
Литье прессованием
В этом случае камера загрузки находится отдельно от полости формирования. Прессованный материал помещается в камеру загрузки, где при действии тепла и сжатия происходит пластификация. Затем материал перетекает в рабочее отделение формы, где отвердевает. Метод прессованного литья используется в случае выпуска деталей с толстыми стенками, армированием, сложной формы. Недостатком способа является небольшой перерасход материала, так как часть его остается в загрузочном отделении.
Заливка
Процесс применяется для выпуска деталей из компаундов или в случае применения изоляции и герметизации компаундами запчастей радио и электронной отрасли. Компаунды — композиции из полимеров, пластификаторов, отвердителей, наполнителей и других добавок. Они являются воскообразными твердыми составами, которые перед применением нагревают до получения жидкого состояния.
Отвердевание происходит при температуре 25—185˚С, процесс занимает по времени около 2−17 часов. Иногда в емкость для раствора насыпают таблетированный материал, затем форму нагревают и сырье расплавляется, чтобы ускорить процедуру используют метод давления.
Метод намотки
Используют для изготовления пластиковых тел вращения, при этом исходным сырьем служит жидкотекучие и стеклянные полимеры. Изготавливают колпаки, трубчатые полости, цилиндрические оболочки. Процесс происходит на намоточных станках с применением оправок, на них наматывают обработанные полимером нити. Намотка осуществляется сухим или мокрым способом.
В первом случае применяют предварительно пропитанную армирующую нить, а во втором случае пропитка происходит перед применением нити. Сухой метод признан более производительным и качественным, в результате используются разнообразные пропитки и связующие, но мокрый метод позволяет выполнять детали сложной фигуры и формы.
Технология полимерных композиционных материалов
Для формирования ПКМ используется несколько методов – прессование, литье под давлением, экструзия, напыления. Получение того или иного полимерного композиционного материала зависит от нескольких факторов. Главным образом, влияние на технологию производства оказывают: тип наполнителя и агрегатное состояние самого полимера. Так, наполнитель может быть дисперсным, волокнистым или слоистым. Полимер, в свою очередь, — жидкий или твердый.
На сегодняшний день существует полимерные композиты можно разделить на четыре основные группы:
- Слоистые пластики (текстолиты), образованные волокнистыми слоями;
- Литьевые, прессовочные композиции, созданные из рубленных;
- Ориентированные армированные пластики. Данный материал формируется стеклянными или синтетическими волокнами, а также прядями и нитями, путем их параллельного укладывания, чередуя со связующим веществом;
- Стеклопластики. Их основой при производстве являются заранее сформированные волокна.
Стоит отметить, что если при производстве ПКМ применяется дисперсный наполнитель, в таком случае присутствует еще одна стадия технологического процесса – мокрого метода.
Также ученым удалось разработать еще один принципиально новый способ, которым можно получить ПКМ, — полимеризационный наполнитель. Данный метод позволяет на выходе получать исключительно качественные новые материалы.
Методы, используемые для литья пластмасс
Для реализации технологии производства изделий из расплавленных полимеров применяются термопластавтоматы (ТПА), представляющие собой специальные литьевые агрегаты, отличающиеся расположением инжекционных узлов. Обеспечивается впрыск расплава вертикально вниз или в горизонтальной плоскости. По типу применяемого сырья классифицируют ТПА, обеспечивающие однокомпонентное или многокомпонентное литье пластмасс, выполняемое разными способами.
Инжекционный
Данный способ является самым распространенным. Нужная порция расплавленной массы скапливается в цилиндре и под напором инжектируется в форму. Давление литья обеспечивается на уровне 200 МПа. Процесс подачи массы происходит за секунды. В результате удается изготовить сложные по конфигурации детали. Предоставляется возможность получить разную толщину стенок. В качестве сырья могут использоваться термопласты и термореактивные пластикаты. Возможно использование многогнездной литьевой формы. Объем расплавленной массы должен точно соответствовать литникам.
Интрузионный
Разработан для отлива толстостенных пластмассовых изделий. Данный метод литья пластмасс предусматривает подачу расплавленного материала в пресс-форму благодаря вращению червячного механизма. С целью компенсации естественной усадки, образуемой после охлаждения массы, червяк уже осевым движением подает недостающий расплав. При реализации этого способа количество впрыскиваемой массы может превышать объем, требующийся для отлива детали. Давление литья незначительное, поэтому метод применяется для получения изделий простой формы с ограниченной гнездностью.
Инжекционно-прессовый
Этот метод литья пластмасс позволяет производить изделия, характеризующиеся большой прессовочной площадью. Падение давления в процессе наполнения объема обуславливает разные прочностные характеристики в центре и в крайних зонах деталей. Особенность технологии в формировании давления массы не только благодаря инжекции, но и благодаря применению прессового механизма перемещающегося узла. Поэтому применяются формы, конструктивно предусматривающие перемещение частей после их соединения.
Инжекционно-газовый
ИГЛ является новым методом, использующимся для переработки полимеров. Сущность технологии заключается в расплаве сырья и подачи массы через инжекционные узлы с целью заполнения формы на 80‒95%. Через специальный ниппель с помощью компрессора под давлением 80 МПа закачивается газовая смесь (углекислый газ). Она раздувает расплав, заполняя все углубления и увеличивающая толщину пластика. После формирования детали газ испаряется в специальный приемник, а в форму подается необходимое количество расплавленной массы для окончания изготовления изделия.
Инжекционно-газовое литье предоставляет возможность сэкономить почти половину используемого дорогостоящего сырья, уменьшить вероятность получения брака, сократить время производственного цикла, а также оптимизировать стоимость оснастки. Технология требует точного управления ЛМ, отличается сложной конструкцией сопел и повышенными требованиями к литьевой системе.
Многослойный
Данный способ предусматривает применение для процесса двух или трех инжекционных узлов с целью пластикации полимера, отличающегося определенными свойствами. В результате получаются многоцветные детали, структуру которых составляют полимерные материалы разного вида. Многослойный метод литья пластмасс используется для производства гибридных конструкций, у которых неответственные части изготавливаются из вторичного сырья.
Сэндвич-литье
Технологией предусматривается переменная подача в форму расплавленного полимера из разных пластикаторов. С этой целью к литнику с переключающим механизмом, в качестве которого используется игольчатый клапан, подключаются два инжекционных модуля. Клапан с определенной последовательностью или одновременно подключает их к пресс-форме. Из первого инжектируется масса для формирования наружного покрытия изготавливаемой детали. Внутренние полости заполняются полимером, поступающим из второго узла. На последнем этапе снова коммутируется первый узел для добавления расплава.
Соинжекционный
С целью обеспечения литья данного типа используются сопла, изготовленные по специальной конструкции в виде разделительной головки. Этот способ широко используется с целью получения деталей, имеющих более двух слоев, полностью или частично отличающихся цветом.
Литье в многокомпонентные формы
Метод MСIM предоставляет возможность организовать производство разноцветных изделий, отличающихся разноплановой конструкцией. В этих деталях центральные и периферийные части изготавливаются из разного полимерного материала. При реализации этого способа инжекционные узлы работают в стандартном режиме, а конфигурация детали формируется с помощью особенной структуры пресс-формы. Она конструктивно состоит из двух систем, замыкающихся с первым и вторым узлом, а также включает подвижные вставки, сдвигающиеся с помощью пневмоприводов. Каждая вставка формирует конструктивные элементы детали. Узлы работают в разных режимах (инжекции или интрузионном) независимо друг от друга. Благодаря такой конструктивной особенности удается формировать изделия больших размеров.
Ротационный
Данный способ представляет собой разновидность литья пластмасс в сложные формы с применением вставки съемного типа. После того, как сформируется центральная часть детали (работает первый узел), вставка удаляется. В освободившийся объем поступает расплавленная масса из второго модуля. Производственный цикл отличается дополнительной операцией, предусматривающей разъединение литьевой формы с целью удаления или установки вставки. Данный метод отличается более низкой производительностью.
