Введение
В настоящее времяпредусматривается дальнейшее улучшение обслуживания населения страны всемивидами транспорта, в том числе и железнодорожным транспортом. Решение этойпроблемы возможно не только путем создания новых видов подвижного состава, вкоторых наравне с техническими показателями учитываются требования экономики,технологичности, технической эстетики и т.д., но также путем повышенияэффективности технического обслуживания транспорта, обязательным условиемкоторого является обеспечение быстрого и качественного ремонта подвижногосостава. В настоящее время к отремонтированному подвижному составупредъявляются новые, современные требования. Одним из условий их обеспеченияявляется повышение качества покрытий наносимых на детали и узлы салоновподвижного состава. До настоящего времени на железнодорожном транспорте вкачестве защитно-декоративных покрытий применялись хромоникелевые покрытия,наносимые гальваническим способом. Эти покрытия дороги, для их созданиянеобходимы дефицитные материалы (медь, никель, хром), технология их нанесениясложна и энергоемка, для ее осуществления необходима организация специальногопроизводства гальванических цехов. Кроме того, антикоррозийная стойкость такихпокрытий недостаточна: практикой установлено, что ко времени капитальногоремонта этот вид покрытий имеет до 25-30% разрушений, что портит эстетическийвид подвижного состава железнодорожного транспорта. Предпринимались попыткисоздания и других видов защитно-декоративных покрытий. Применялись эмалевые илакокрасочные покрытия. Однако в условиях эксплуатации они не показалипреимуществ перед хромоникелевыми. Эмалевые покрытия не обладают достаточнойстойкостью в эксплуатации, быстро истираются и выкалываются при периодическихнагрузках. Лакокрасочные покрытия при разовом нанесении получаются слишкомтонкие (10-20 мкм), поэтому их приходится наносить в несколько слоев, чтотребует дополнительных затрат материалов и рабочего времени. Отсутствиеудовлетворительного технического решения в части создания и ремонтазащитно-декоративных покрытий, работающих в специфических условиях салонов пассажирскогоподвижного состава, стимулировали поисковые работы в этой области. Изучениеотечественного и зарубежного опыта применения покрытий на подвижном составепоказывает, что наблюдается тенденция отхода от использования в качествепокрытий дорогостоящих дефицитных материалов. В связи с быстрым и эффективнымразвитием производства полимерных материалов в России и в ряде зарубежных странв последние годы значительные усилия были направлены на созданиезащитно-декоративных покрытий из полимеров и композиций на их основе. Покрытияиз этих материалов по ряду технико-эксплуатационных показателей превосходятгальванические хромоникелевые покрытия, имеют по сравнению с ними низкуюстоимость и отвечают повышенным требованиям эксплуатации на железнодорожномтранспорте.
1.Технология изготовления полимерных материалов
Технологическийпроцесс переработки включает контроль качества исходного материала или егокомпонентов, подготовительных операции, в ряде случаев формирование заготовкиизделия, собственно формование изделия, последующие механические и различногорода обработки, обеспечивающие улучшение или стабилизацию свойств материала илиизделия, нанесение покрытий на изделие, контроль качества готового изделия иего упаковку.
Основныепараметры процессов переработки — температура, давление и время. НагреваниеП.м. приводит к увеличению податливости материала при формовании путем переводаего в вязкотекучее или эластическое состояние, к ускорению диффузионных ирелаксационных процессов, а для реактопластов — к последующему отверждениюматериала. Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделийтребуемой конфигурации, оказывает сопротивление внутренним силам, возникающим вматериале при формовании вследствие температурных градиентов и градиентов фазовыхпереходов. способствует выделению летучих продуктов. Временные параметрыпроцесса переработки выбираются с учетом протекающих в материале физ. и хим.процессов. Оптимальные параметры рассчитывают или выбирают по результатаманализа технологических свойств полуфабрикатов и изделий, физические моделиформования с учетом накопленного статистического опыта.
Переработка термопластовоснована на их способности при нагревании выше температуры стеклованияпереходить в эластическое, а выше температуры текучести и температуры плавления- в вязкотекучее состояние и затвердевать при охлаждении ниже температуры стеклованияи температуры плавления. При переработке реактопластов и резиновых смесей происходитхимическое взаимодействие между молекулами (соотвенно отверждение и вулканизация)собразованием нового, высокомолекулярного материала, находящегося втермостабильном состоянии и практически не обладающего растворимостью иплавкостью (см. Сетчатые полимеры. а также Пластические массы). Внекоторых случаях (главным образом при переработке резиновых смесей) дляоблегчения смешения с ингредиентами и дальнейшего формования изделий проводятпредварит. пластикацию полимеров.
Деформированиеполимерных материалов в эластическом состоянии и при течении расплавасопровождается ориентацией макромолекул и надмолекулярных образований, а послепрекращения деформирования полимерных материалов и течения расплава идетобратный процесс-дезориентация. Степень сохранения ориентации в материалеизделия зависит от скоростей протекания обоих процессов. В направленииориентации некоторые физико-механические характеристики материала (прочность,теплопроводность) возрастают; при этом структура материала оказываетсянеравновесной и напряженной, что приводит к снижению формоустойчивости изделия,особенно при повышенной температуре. Длительное воздействие повышеннойтемпературы, а в случае реактопластов и значительное выделение теплоты,сопровождающее отверждение, может приводить к термоокислительной деструкцииматериала, а большие скорости течения материала — к его механодеструкции.Отверждение ряда реактопластов по реакции поликонденсации сопровождаетсявыделением низкомолекулярных продуктов, вызывающих образование вздутий и трещинв изготовляемых деталях.
Охлаждениекристаллизующихся полимерных материалов сопровождается образованием кристаллов.скорость роста, размеры и структура которых зависят от интенсивности охлажденияматериала. Регулируя степень кристалличности и морфологию кристаллов. можнонаправленно изменять эксплуатационные характеристики изделия.
Полуфабрикатыполимерных материалов (или компоненты), предназначенные для формования, могутбыть в виде жидкостей (компаунды на основе мономеров и олигомеров. растворы идисперсии полимеров и олигомеров., паст (резиновые смеси, премиксы на основеполиэфирных и эпоксидных связующих), порошков (наполненные и ненаполненные полимеры.твердые смолы и олигомеры), гранул (ненаполненные полимеры. смолы, олигомерыили полимеры. наполненные дисперсными частицами или армированные короткимиволокнами), пленок, листов, плит, блоков (пластмассы и резиновые смеси),рыхловолокнистых композиций (спутанноволокнистые материалы, пропитанныесвязующим), препрегов на основе непрерывных волокнистых наполнителей (нити,жгуты, ленты, ткани, бумага. маты, пропитанные связующим, шпон). Потехнологическим возможностям ненаполненные, наполненные дисперсными частицамиили армированные волокнами полимерные материалы идентичны и перерабатываются визделия одинаковыми методами.
1.1 Методы формования изделий из ненаполненных и наполненных полимерныхматериалов. Формование под давлением
Прямоепрессование применяют для изготовления изделий разнообразных форм, размеров итолщин преим. из реактопластов, выпускаемых в виде порошков, гранул, волокнитов.слоистых заготовок из армированных полимерных материалов, а также заготовок изрезиновой смеси. Полимерные материалы перед прессованием подвергают подготовке(сушка, таблетирование. предварительный нагрев), улучшающей их технологическиесвойства и качество получаемых изделий. Подготовленные материалы передпрессованием обычно дозируют. Заданное кол-во перерабатываемого полуфабрикатапомещают в установленную на прессе нагретую прессформу, конфигурацияоформляющей полости которой соответствует конфигурации детали (рис. 1).Прессформу смыкают. Материал нагревается, переходит в вязкотекучее состояние,под давлением 7-50 МПа заполняет оформляющую полость и уплотняется. Впрессформе материал выдерживают под давлением до завершения отвержденияполимерных материалов или вулканизации сырой резиновой смеси, чемобеспечивается фиксация приданной материалу конфигурации. Готовое изделиевыталкивают или извлекают из прессформы, как правило, при температурепрессования.
В процессепрессования для повышения качества изделий применяют подпрессовки (попеременныеподача и снятие давления) и задержку подачи давления. Подпрессовки способствуютудалению из реактопластов летучих веществ (продуктов реакции, адсорбированнойвлаги, остатков растворителей). Эта же цель достигается предварительнымвакуумированием материала в оформляющей полости прессформы (прессование свакуумированием). Задержку подачи давления применяют для снижения текучестиреактопластов, имеющих при температуре формования очень низкую вязкость. с тем,чтобы предотвратить их вытекание через зазоры прессформы в процессе уплотнения.
Припереработке термопластов прессование применяют для изготовления деталейтолщиной >10-15 мм, если при температуре переработки материал имеет слишкомвысокую вязкость. а также если температура текучести полимерных материалоаблизка к температуре его деструкции.
Литьевое(трансферное) прессование применяют главным образом для переработкиреактопластов. Формование осуществляют в прессформах, оформляющая полостькоторых отделена от загрузочной камеры и соединяется с ней литниковыми каналами(рис. 2). В процессе прессования материал, помещенный в загрузочную камерунагретой прессформы, переходит в вязкотекучее состояние и под давлением 60-200МПа по литниковому каналу перетекает в оформляющую полость прессформы, гдематериал дополнительно прогревается и отверждается.
Преимуществолитьевого прессования — возможность изготовления изделий сложных форм сглубокими сквозными отверстиями малого диаметра или с малопрочной внутренней(внешней) арматурой. Изделия, полученные этим методом, характеризуются меньшимнапряжением, чем при прямом прессовании, так как процесс отверждения воформляющей полости идет одновременно по всему объему детали, а при заполненииформы создаются условия, обеспечивающие удаление из материала летучихпродуктов.
Литье поддавлением применяют преимущественно для изготовления изделий из термопластов.Осуществляют под давлением 80-140 МПа на литьевых машинах поршневого иливинтового типа, имеющих высокую степень механизации и автоматизации (рис. 3).Литьевые машины осуществляют дозирование гранулир. материала, перевод его ввязкотекучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму,выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыканиеформы и выталкивание готового изделия. При переработке термопластов литьевуюформу термостатируют (температура ее не должна превышать температурыстеклования или температуры кристаллизации), а при переработке реактопластовнагревают до температуры отверждения. Давление литья зависит от вязкости расплаваматериала, конструкции литьевой формы, размеров литниковой системы и формуемыхизделий. Литье при сверхвысоких давлениях (до 500 МПа) уменьшает остаточныенапряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихсяполимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более точноевоспроизведение размеров деталей.
Давление влитьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в концевыдержки под давлением достигает 30-50% от давления литья) и распределяется подлине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава ибыстрого ее нарастания при охлаждении или отверждении.
Литье поддавлением позволяет изготовлять детали массой от долей грамма до несколькихкилограммов. При выборе машины для формования изделия учитывают объем расплава,необходимый для его изготовления, и усилие смыкания, требующееся для удержанияформы в замкнутом состоянии в процессе заполнения расплавом оформляющейполости.
Длявыравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье поддавлением с предварительным сжатием расплава, инжекционное прессование, литьепод давлением с наложением механических колебаний и другие методы.
Литье поддавлением с предварит. сжатием расплава осуществляют на литьевой машине,сопловый блок которой снабжен краном. При закрытом кране производят сжатие расплаваполимера в нагревательном цилиндре машины до давления литья. После открытиякрана расплав под высоким давлением с большой скоростью заполняет полостьлитьевой формы и дополнительно нагревается за счет работы сил трения. Дляпредотвращения механодеструкции полимерных материалов скорость течения расплавапо литниковым каналам иногда ограничивают. Предварительное сжатие расплавапозволяет в 1,5-2 раза уменьшить время заполнения формы и увеличить путьтечения расплава до момента его застывания, что позволяет отливать длинномерныетонкостенные детали.
Инжекционноепрессование отличается от обычного литья под давлением тем, что впрыск дозы расплаваП.м. производят в не полностью сомкнутую форму. Уплотнение материалаосуществляют при окончат. смыкании формы (прессование). Метод позволяетполучать как очень тонкостенные, так и толстостенные детали из термо- иреактопластов. Изделия, изготовленные этим методом, имеют меньшую анизотропиюмеханических свойств и меньшую усадку.
Литье поддавлением с наложением механических колебаний применяют для изготовленияизделий из полимерных материалов, расплавы которых обладают ярко выраженнымисвойствами псевдопластичных жидкостей. Воздействие механических колебанийвызывает резкое снижение вязкости таких расплавов, в результате чегоуменьшается время заполнения формы и происходит более равномерное распределениедавления по длине оформляющей полости.
Интрузия-методформования толстостенных изделий на винтовых литьевых машинах, объем впрыскакоторых м. б. значительно меньше объема формуемого изделия. В процессезаполнения формы литьевая машина работает в режиме экструдера (см. ниже),нагнетая расплав полимера через широкие литниковые каналы в оформляющую полостьпри сравнительно невысоком давлении; после заполнения формы винт под действиемгидроцилиндра движется как поршень вперед и подает в форму под более высокимдавлением кол-во расплава, необходимое для оформления детали и компенсацииусадки материала.
Экструзию(шприцевание, выдавливание) применяют для формования из термо- и реактопластовразл. длинномерных изделий-волокон, пленок, листов, труб, профилейразнообразного поперечного сечения. Переработка термопластов осуществляется напоршневых и винтовых машинах (экструдерах) путем выдавливания материала,переведенного в нагревательнгом цилиндре экструдера в вязкотекучее состояние,через формообразующую головку проходного типа (рис. 4). Выходящее из головкиизделие охлаждается, отводится тянущим устройством и сматывается в бухты илиразрезается на отрезки необходимой длины. Скорость отвода изделия может бытьбольше скорости выхода из головки, тогда происходит ориентация материала внаправлении оси изделия. С помощью спец. устройств возможна поперечнаяориентация материала. Методом экструзии можно также наносить на провода икабели полимерную изоляцию.
Экструзию термопластовможно совмещать с др. методами формования, например, раздуванием (т. наз.экструзионно-раздувное формование), в результате чего из экструдированнойзаготовки получают крупногабаритные тонкостенные полые изделия (рис. 5).
Формованиеэкструзией деталей из наполненных реактопластов осуществляют главным образом напоршневых машинах (штранг-прессование), т. к. расплав материала имеет слишкомвысокую вязкость. Конструкцию головки и распределение температуры по ее длиневыбирают таким образом, чтобы материал был достаточно уплотнен и на выходе изголовки имел степень отверждения, обеспечивающую формуемому изделию товарныйвид и технологическую прочность. Окончательное отверждение материала может бытьпроведено в трубчатых печах.
Центробежноеформование применяют для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения(втулки, трубы, полые сферы и др.), под действием центробежных сил. Таким способомперерабатывают вязкотекучие термореактивные компаунды, расплавы полимеров ипластизоли, как ненаполненные, так и содержащие порошкообразные и волокнистыенаполнители. При центробежном формовании расплав полимера или термореактивныйкомпаунд заливают в нагретую форму, закрепленную на валу центрифуги, которуюприводят во вращение. Под действием центробежных сил перерабатываемый материалраспределяется равномерным слоем по оформляющей поверхности формы иуплотняется. После охлаждения формы ее останавливают и извлекают готовоеизделие. Для изготовления невысоких втулок и изделий, имеющих геометриюпараболоида вращения, применяют форму с вертикальной осью вращения; длинныетрубы получают в формах с горизонтальной осью вращения, полые сферы — одновременным вращением формы вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.Величина развивающегося в процессе формования давления определяется частотойвращения формы и радиусом ее оформляющей полости и достигает 0,3-0,5 МПа. Этимметодом получают обычно тонко- и толстостенные изделия, изготовление которыхдр. методами затруднительно или невозможно.
Вальцеваниеприменяют для смешивания компонентов сырых резиновых смесей и пластических массна стадии их приготовления или улучшения технологических свойств материалаперед формованием изделий, а также для изготовления полуфабрикатов (листов,пленки). Вальцевание осуществляют в зазоре между валками (охлаждаемыми илинагреваемыми), вращающимися навстречу друг другу с различных скоростью. Взависимости от аппаратурного оформления метода материал с вальцов можетсниматься в виде листа или узкой непрерывной ленты.
Каландрованиеприменяют для непрерывного формования различных пленочных или листовыхполимерных материалов, нанесения на поверхность листовых материалов рельефногорисунка, дублирования предварительно отформованных ленточных заготовок,армирования полимерных материалов тканями или сеткой при температуре вышетемпературы текучести или температуры плавления. Осуществляют на агрегатахнепрерывного действия, основной частью которых является многовалковый каландр(рис. 6). Полимерная или резиновая композиция непрерывно поступает на каландр спитательных вальцов или экструдера. В отличие от вальцевания при каландрованииматериал проходит через зазор между парой валков только один раз. Для получениялиста заданной толщины и с гладкой поверхностью каландр делают многовалковым,что позволяет последовательно пропускать материал через два или три зазораразного размера. В процессе каландрования полимерных материалов в зазоре междувалками подвергается интенсивной деформации сдвига, в нем в направлениидвижения развиваются значительные эластические деформации, которые фиксируютсяв изделии последующим охлаждением. Продольная ориентация обусловливаетзначительную анизотропию свойств материала (каландровый эффект).
Каландровыеагрегаты могут быть снабжены дополнительными устройствами для одно- илидвухосной ориентации пленки.
Прокаткуприменяют для обработки листовых термопластичных полуфабрикатов с цельюпридания им требуемых размеров поперечного сечения или повышения механическихсвойств в направлении прокатки. В отличие от каландрования ее осуществляют навалковых машинах, валки которых вращаются навстречу друг другу с одинаковойскоростью, при температурах, не превышающих температуры стеклования итемпературы плавления. В зазоре между валками происходит уплотнение материала иориентация его в направлении прокатки вследствие развивающихся в материалевынужденных эластических деформаций.
Дляформования монолитных тонкостенных изделий из заготовок термопластов (листов,труб и др.) применяют штамповку (штампование) и ее разновидности(механо-пневмоформование, пневмоформование, вакуум-формование и др.).
Штамповкуиспользуют преимущемственно для формования крупногабаритных объемных изделий иззаготовок, получаемых литьем, прессованием, литьем под давлением или экструзиейи переведенных нагреванием в эластическое состояние. Нагретая заготовка поддействием давления изменяет форму, заполняя оформляющую полость штампа,имеющего температуру ниже температуры стеклования полимерных материалов. Дляфиксации полученной конфигурации отформованное изделие охлаждают под давлением.При штамповке можно совмещать операцию изготовления заготовки и получения изнее изделия. Заготовку в этом случае получают литьем под давлением илиэкструзией и, не давая ей охладиться ниже температуры стеклования, подвергаютштамповке. В зависимости от конструкции применяемого оборудования и оснастки,формы и размеров заготовки и изделий применяют различные виды штамповки.
Детали состенками переменной толщины или с рельефом на поверхности изготовляют изсравнительно толстостенных заготовок в жестких штампах, имеющих пуансон иматрицу и устанавливаемых на гидравлических или пневматических прессах (рис.7). Из всех видов штамповки этот метод наиболее дорог, т.к. требует сопряженныхдруг с другом пуансонов и матриц.
Механическуюштамповку пуансоном (рис. 8, а) через протяжное кольцо имеханопневмоформование (рис. 8, б) применяют для изготовления изделий с резковыраженной разнотолщинностью, например, если дно изделия должно бытьзначительно толще стенок. При получении изделий, на одну из поверхностейкоторых необходимо нанести рисунок с мелкими элементами, применяют главнымобразом штамповку в матрицу эластичным пуансоном, выполненным из губчатой илимягкой монолитной резины.
Вакуум-формованиемчерез протяжное кольцо (рис. 9, а) из листовых заготовок получаютизделия, имеющие форму тел вращения. Заготовку защемляют между прижимным ипротяжным кольцом, закрепленными на торце герметичной емкости, в которойсоздают разряжение. Под действием атм. давления заготовка деформируется внутрьемкости, а при создании в емкости избыточного давления-в обратную сторону.Форма и размеры получаемого изделия определяются конфигурацией в планепротяжного кольца и степенью (глубиной) вытяжки заготовки, характеризующейсяотношением высоты изделия к его ширине. Вакуум-формованием в матрицу (рис. 9, б)придавлении формования до 0,09 МПа получают изделия из тонкостенных заготовок.Если такого давления для оформления изделий недостаточно, применяютпневмоформование в матрицу (рис. 10). Этот метод позволяет также получатьизделия более сложной конфигурации.
В процессештамповки-вырубки производят изготовление плоских изделий различныхконфигурации, имеющих в плоскости детали отверстия различного диаметра. Вырубкаизделий осуществляется в штампах, оснащенных режущими элементами (для отделенияизделия от заготовки по контуру), прижимом, удерживающим заготовку внеобходимом положении, пуансоном и матрицей, производящими пробивку отверстий взаготовке.
Формованиебез давления. В этом случае уплотнение материала и формование изделияосуществляется под действием силы тяжести и сил поверхностного натяжения.
Методом литьяизготовляют изделия из отверждающихся компаундов на основе мономеров, олигомеров.смол, полимер-мономерных композиций или расплавов полимеров, имеющихконсистенцию вязкой жидкости. Компаунд при нормальной или повышеннойтемпературе заливают в технологическую оснастку (форму), в которой происходитего отверждение или затвердевание. Для обеспечения извлечения изделия из формыстенки формы покрывают слоем антиадгезива, например отверждающейся силиконовойсмазкой. Литьем изготовляют листы, плиты, блоки, различного родамашиностроительные детали (шестерни, шкивы, кулачки, шаблоны), технологическуюоснастку для штамповки, литья под давлением и др. методов формования.
Прикапсулировании компаундом заливают какой-либо элемент, который фиксируют вформе. После отверждения компаунда элемент, покрытый с поверхности слоемполимера, извлекают из формы.
Метод заливкиподобен литью; отличается тем, что компаунд заливают в оболочку (кожух,корпус), в которую предварительно помещают различного рода узлы или элементы(трансформаторы, индуктивные катушки, электронные или электрические системы ит. п.). Внутреннюю поверхность оболочки тщательно обезжиривают для обеспеченияее прочного сцепления с компаундом.
При герметизациизаливаемый элемент плотно вставляют в оболочку, а компаундом покрывают толькоего поверхность. Так же, как и в методе заливки, необходимо обеспечить прочноесцепление компаунда с заливаемым узлом и поверхностью оболочки.
Методомполива изготовляют тонкие пленки или пленочные клеи из компаундов или растворовполимеров, например на плоской подложке или установке непрерывного типа (рис.11). Компаунд из емкости через фильеру наносится на гибкую ленту транспортера,проходит через камеру сушки и (если необходимо) отверждения, отделяется отленты и сматывается в рулон.
Во всехперечисленных методах во избежание образования в изделиях газовых включенийкомпаунд предварительно нагревают или вакуумируют, а отверждение материалаведут в вакуумированной форме. В случае введения порошкообразных иливолокнистых наполнителей компаундам придают тиксотропные свойства.
Методыокунания и декантации применяют для изготовления тонкостенных деталейразнообразной формы из вязких компаундов, а также для нанесения на поверхностьизделий электроизоляционных, антифрикционных, антикоррозионных или декоративныхпокрытий. При изготовлении деталей окунанием применяют оснастку по формеизделия позитивного типа (пуансоны), которую окунают в компаунд, залитый вк.-л. емкость. Слой компаунда, оставшийся на поверхности оснастки, отверждаюти, если его толщина мала, окунание повторяют; полученную деталь снимают соснастки. Декантацией изготовляют детали в оснастке негативного типа (матрица).В матрицу наливают необходимое кол-во компаунда и наклоняют (кантуют) ее так,чтобы все оформляющие поверхности были покрыты слоем компаунда. Излишкикомпаунда выливают, а оставшуюся пленку охлаждают. Форму размыкают и извлекаютготовое изделие. Для предотвращения стекания вязкого компаунда с наклонныхстенок пуансонов и матриц применяют тиксотропные или быстроотверждающиесякомпаунды.
Методомротационного формования изготовляют тонкостенные полые изделия, а также наносятпокрытия на внутренней поверхности различных емкостей из порошкообразныхполимеров и пластизолей. Порцию полимерных материалов загружают в полуюметаллическую форму, герметично закрывают ее и в зависимости от конфигурациидетали вращают форму вокруг одной или двух взаимно перпендикулярных осей.Одновременно форму нагревают, для того чтобы полимер расплавился или набух в пластификаторе.Во время вращения расплав смачивает оформляющую поверхность формы ираспределяется по ней равномерным слоем. Частоту вращения подбирают так, чтобылинейная скорость движения точек, лежащих на оформляющей поверхности, быларавна скорости стекания расплава с этой поверхности под действием сил тяжести.Такой режим вращения обеспечивает получение равнотолщинных изделий. В отличиеот центробежного формования полимер удерживается на стенках преим. силамиадгезии и инерции. После охлаждения вращающейся формы и затвердевания полимеравращение прекращают и извлекают из формы готовое изделие.
Напылениепорошкообразных полимерных материалов на поверхность форм применяют дляизготовления тонкостенных изделий или нанесения полимерных покрытий на деталиразличного назначения. Процесс состоит в нанесении порошка на поверхностьоснастки и последующего спекания образовавшегося слоя при нагревании его вышетемпературы плавления или температуры текучести полимерных материалов. Порошокполимера на поверхность формы наносят в псевдоожиженном («кипящем»)слое или струйным методом с помощью пистолета-распылителя.
Приизготовлении изделий методом засыпки в ограничительную оснастку засыпаютпорошок или гранулы термопласта. Загрузочное отверстие закрываюттеплоизолирующей крышкой; оснастку нагревают выше температуры текучести илитемпературы плавления полимера и выдерживают до тех пор, пока у ее стенок нерасплавится слой полимера нужной толщины; извлекают из термостата, охлаждают ивысыпают нерасплавившиеся гранулы. В дальнейшем производят окончат. оплавлениеслоя, нагревая материал в оснастке без теплоизолирующей крышки. Методом засыпкиизготовляют сравнительно тонкостенные крупногабаритные изделия (прогулочныелодки, бидоны для хранения и транспортировки жидкостей и др.).
1.2 Методы переработки армированных полимерных материалов
Особенностьюизготовления изделий из армированных полимерных материалов является то, чтоматериал и изделие в большинстве случаев изготовляются из исходных компонентоводновременно. Для создания изделий с требуемыми эксплуатационными свойствамивыбранные методы и режимы переработки должны обеспечивать необходимуюмонолитность материала, требуемое содержание, ориентацию и равнонапряженностьармирующего наполнителя.
Подготовительныеоперации включают подготовку наполнителя (сушка, различные виды энергетическойи химической обработки для улучшения совмещения со связующим), формообразующейи формующей оснастки и оборудования, а в ряде случаев — приготовлениесвязующего и его нанесение на наполнитель. Структура и форма используемогоармирующего наполнителя во многом определяют выбор метода изготовлениязаготовки изделия.
Получениезаготовки изделия выбранным методом осуществляют путем укладки армирующегонаполнителя в заданной последовательности на оснастке, определяющей формубудущей детали. При этом ориентация волокнистого наполнителя выдерживается всоответствии с эпюрой напряжений, что обеспечивает требуемую анизотропию свойствматериала в изделии.
Изготовлениезаготовки детали может производиться с использованием препрега — предварительнопропитанного связующим наполнителя, высушенного или подотвержденного (т. наз.сухой способ намотки, выкладки), с пропиткой наполнителя в процессе еговыкладки или намотки (т. наз. мокрый способ намотки, выкладки), с чередованиемслоев непропитанного или частично пропитанного наполнителя со слоями связующегов виде плавкой пленки или с использованием наполнителей, в которых армирующиеволокна чередуются с волокнами матричного материала (волоконная технология).
Получениезаготовки изделия из полимерных материалов, армированных непрерывнымиволокнистыми наполнителями (главным образом нитями, жгутами, ровингами,лентами, тканями, трикотажными материалами), осуществляют методами послойнойвыкладки, намотки, методом плетения или ткачества, а также комбинированнымметодом.
Методомпослойной выкладки с наполнителями из непрерывных волокон изготовляют заготовкилистов, плит, обшивок, а также изделий сравнительно простых геометрическихформ. При послойной выкладке слои препрега или непропитанного армирующегонаполнителя последовательно, соблюдая заданную ориентацию, собирают на жесткойформе (пуансоне), повторяющей форму изделия, в пакет до требуемой толщины. Впроцессе выкладки производят послойное уплотнение пакета с помощью ролика илидр. инструмента. При серийном производстве применяют специальные выкладочныеустановки или комплексы с применением робототехники и программного управления.
Метод намоткишироко применяют для изготовления заготовок изделий, имеющих форму телвращения. При использовании однонаправленных непрерывных армирующих наполнителейв виде нитей, жгутов, лент, ровницы применяют окружную, продольную, спиральную(геликоидную) или комбинированную намотку.
Спиральнуюнамотку применяют для изготовления оболочек совместно с днищами, деталейконической формы, изделий переменного сечения. При комбинированной намоткесочетают в любых вариантах спиральную, продольную или окружную намотку длядостижения требуемой анизотропии свойств материала. Простейший видкомбинированной намотки — продольно-поперечная. Применение многокоординатныхнамоточных станков с программным управлением позволяет автоматизировать процесснамотки и сделать его высокопроизводительным.
Прииспользовании армирующих наполнителей в виде тканей, холстов, бумаги, лент сперекрестным расположением волокон применяют окружную намотку с прикаткой,например при изготовлении труб, цилиндров, оболочек конической формы. Еслиуплотнение материала вследствие натяжения наполнителя или при прикатке являетсядостаточным для обеспечения необходимой плотности материала при последующемотверждении изделия, то намотка представляет собой и метод формования.
Комбинированныеметоды создания заготовок изделий включают несколько различных методов присборке одной детали, например сочетание послойной выкладки и намотки.
Указанные вышеметоды позволяют ориентировать наполнитель в одной или двух плоскостях изделия.При необходимости получения объемного армирования в трех и более плоскостяхприменяют метод плетения или ткачества заготовки из жгутов или нитей.Направление армирования и содержание наполнителя в каждом из направленийопределяются условиями эксплуатации детали. Метод плетения применяется такжедля создания многослойных заготовок деталей, в которых слои механически связанымежду собой.
Изготовлениезаготовки детали из полимерных материалов, армированных короткими волокнами,производят методом послойной выкладки с использованием рулонных наполнителей ввиде матов, холстов, войлока, бумаги, как предварительно пропитанных, так ипропитываемых в процессе изготовления заготовки, а также методами напыления,насасывания и осаждения рубленых волокон. При изготовлении заготовок изделияметодом напыления в качестве наполнителей используют отрезки жгутов (30-60 мм),которые с помощью спец. установок напыляют потоком воздуха совместно со связующимна форму до достижения требуемой толщины. Этим методом производяткрупногабаритные изделия, например корпуса лодок и катеров, элементы легковых игрузовых автомобилей, контейнеры различного назначения, плавательные бассейны,покрытия полов, облицовки бетонных конструкций.
Методнасасывания применяют при производстве изделий сравнительно небольших размеров.Изготовление заготовки осуществляют главным образом в камере насасывания, вверхней часть которой подается рубленое волокно (рис. 12); в нижней частикамеры на вращающемся столе смонтирована перфорир. форма, через которую спомощью мощного вентилятора просасывается (прокачивается) воздух.
Распыленноеволокно, увлекаемое потоком воздуха, насасывается на форму до обеспечениятребуемой толщины.
Методпозволяет использовать как сухие связующие в виде порошка или плавкихполимерных волокон, подаваемых совместно с армирующим волокном, так и жидкиесвязующие, наносимые на насасываемую заготовку при помощи пистолетов,расположенных по периметру камеры.
Посленасасывания заготовка вынимается из камеры и формуется одним из перечисленныхниже методов. Насасывание, кроме того, может проводиться из суспензии волокон вжидкой среде по бумагоделательной технологии (см. Бумага).
Послеформирования заготовка детали подвергается формованию различными методами.Метод контактного формования применяют при изготовлении деталей с применениемполиэфирных и эпоксидных связующих холодного отверждения преим. в сочетании ссозданием заготовки методом выкладки. При этом способе формования пропитанные связующимслои наполнителя уплотняют путем прижатия кистью или прикатки роликом.Отверждение материала производится без приложения постоянного давления восновном при температуре цеха.
Приизготовлении крупногабаритных деталей широкое распространение получиливакуумный, вакуумно-автоклавный и пресскамерный методы формования сиспользованием эластичного мешка (чехла). В этих случаях на оправку по формеизделия наносят разделит. слой (для предотвращения прилипания формуемойдетали), выкладывают или наматывают заготовку изделия, на которуюпоследовательно укладывают перфорированный разделительный слой, цулагу (металл,слоистый пластик), дренажный слой (материал в виде войлока, несколько слоевстеклоткани или металлической сетки), защитный слой из ткани или пленки иэластичный мешок из резины, прорезиненной ткани или термостойкой полимернойпленки с большим удлинением, который герметично соединяют с формой (рис. 13).Вакуумным насосом из-под эластичного мешка откачивают воздух. Для отверждениясвязующего форму с заготовкой помещают в термошкаф (вакуумный способ), а еслитребуется высокое давление — в пресскамеру или автоклав. Формованиеосуществляется вследствие разности давлений между внеш. давлением в термошкафу,пресскамере (0,15-0,5 МПа) или автоклаве (0,3-2,5 МПа) и остаточным вэластичном мешке. При вакуумном способе формования давление составляет0,05-0,09 МПа. Метод широко используют при изготовлении трехслойных конструкцийс легким заполнителем, не допускающим высоких давлений при формовании.
Принеобходимости повышения давления формования для обеспечения требуемого качествадетали, а также при серийном производстве изделий из армированных пластиковнебольших и средних размеров применяют метод прессования в жесткой прессформе,который изложен выше.
При серийномпроизводстве крупногабаритных деталей сравнительно простой конфигурации,изготовляемых из пропитанных слоистых наполнителей в жесткой прессформе,формование часто осуществляют не на прессах, а в термошкафах, применяя методформования в болтовой форме. В жесткую форму, имеющую пуансон и матрицу,помещают заготовку детали и форму смыкают с помощью болтов до обеспеченияокончательной толщины детали. При необходимости приложения больших усилий длясмыкания формы используют пресс с последующей стяжкой болтами. Собранные формыпомещают в термошкафы, где осуществляется температурный режим отверждения иформования. Метод позволяет изготовлять сразу большое кол-во деталейодновременно.
Притермокомпрессионном формовании заготовку формуемой детали помещают на жесткийпуансон или матрицу, покрывают или обматывают формующим материалом с высокимкоэффициентом термического расширения, например термостойкойкремнийорганической резиной, и накрывают ограничит. оснасткой, которую плотно,например с помощью болтов, соединяют с пуансоном или матрицей, создаваяначальное давление. В процессе нагрева уплотнение заготовки осуществляетсявследствие термического расширения формующего материала, расположенного междузаготовкой и жесткой ограничительной формой. Метод позволяет значительноупростить конструкцию прессформы и обеспечить равномерное распределениедавления по всей поверхности формуемой детали.
Центробежныйметод формования основан на уплотнении материала вследствие возникновенияцентробежной силы, возникающей при вращении оправки с заготовкой детали. Данныйметод применяют при изготовлении крупногабаритных цилиндрических ислабоконических оболочек из композиционных материалов с неориентированнымрасположением волокон, получаемых главным образом методом напыления. При этомиспользуют полиэфирные и эпоксидные связующие холодного отверждения.
Методомпротяжки (пултрузии) изготовляют профильные изделия постоянного сечения(стержни, трубки, профили различного поперечного сечения и др.). Процессосуществляют по непрерывной схеме: армирующий наполнитель, совмещенный сосвязующим, собирают в пучок и протягивают через систему формообразующих головок(фильер), в которых осуществляется формование изделия и частичное отверждениесвязующего. Окончательное отверждение происходит в термокамере иливысокочастотной установке. Метод характеризуется высокой производительностью,экономичностью, поддается автоматизации.
Методпрокатки (ролтрузии) аналогичен методу протяжки за исключением того, чтоформующим элементом здесь является система роликов по форме изготовляемогоизделия. Вращающиеся ролики позволяют более эффективно уплотнять заготовку,предотвращать повреждение армирующего наполнителя и изготовлять профилибольшого сечения.
Формованиеметодом обмотки (викелевки) широко применяют при изготовлении труб и др. деталей,имеющих форму тела вращения или близкую к ней. Заготовку детали, изготовленнуюметодами намотки или послойной выкладки, покрывают разделит. слоем, цулагой иобматывают с натяжением несколькими слоями нити, жгута или др. материала,вследствие чего и происходит уплотнение материала. Усилие натяжения нити идругих материалов подбирается экспериментально.
Дляизготовления изделий, к которым предъявляют повышенные требования погерметичности и стабильности размеров, применяют метод пропитки под давлением.При этом заготовку детали формируют из непропитанного (или частичнопропитанного) наполнителя на пуансоне методами послойной выкладки или намотки.После этого пуансон смыкают с матрицей, а пространство между нимигерметизируют. К верхней части замкнутого пространства подсоединяют вакуумнуюсистему для удаления воздуха из непропитанной заготовки, а книжней-трубопровод, по которому под давлением до 3 МПа подается связующее (рис.14). Контроль пропитки осуществляют по появлению смолы на выходе из формы. Приизготовлении длинномерных деталей в процессе пропитки производят выравниваниедавления внутри пропитываемой заготовки, для чего закрывают выходное отверстиеи выдерживают связующее под давлением в течение определенного времени; частьсвязующего затем прокачивается через заготовку. После окончания пропитки выходиз формы перекрывают и производят отверждение детали.
1.3 Методы обработки изделий из полимерных материалов
Отформованныеизделия из всех видов полимерных материалов обычно дополнительно подвергают различнымвидам обработки. Механическую обработку (точение, фрезерование, сверление)применяют при изготовлении изделий сложной конфигурации из заготовок простойформы, для удаления заусениц (грат, пленки) с деталей, полученных различнымиметодами формования, доведения размеров изделия до требований чертежа.
Термическуюобработку применяют для стабилизации структуры и свойств материала изделия,снятия остаточных напряжений, доотверждения изделий из реактопластов,аморфизации кристаллизующихся полимерных материалов, изменения составаполимерных материалов с целью получения изделий с новым комплексом свойств(пиролиз, графитизация). Проводят термообработку на воздухе, в среде инертныхгазов и жидкостей или в вакууме. Тепло к изделиям подводят конвекционным (втермостатах), контактным (в жидкостных ваннах) способами, излучением с помощьютепловых экранов, токами высокой частоты. Для интенсификации протекающих вматериале изделий физико-химических процессов термообработку иногда сочетают собработкой ультразвуком.
Радиационноеоблучение применяют для увеличения частоты сетки реактопластов или для приданиятермопластам сетчатой структуры. В результате такой обработки может бытьповышена тепло- и термостойкость изделий, а также улучшены механическиесвойства материала изделия.
Увеличениегабаритов и усложнение конфигурации изделий из полимерных материалов частоделает невозможным их изготовление за один цикл и в одной технологическойоснастке. Это приводит к необходимости изготовления отдельных элементов(деталей) изделия и их дальнейшей сборки в единую конструкцию с использованиемразличных способов неразъемного и разъемного соединения-склеивания, сварки,механической сборки.
Склеивание — создание неразъемных соединений элементов конструкции при помощи клеев.Прочность клеевого соединения определяется когезионной прочностью клея иматериала соединяемых элементов, адгезионным взаимодействием клея сосклеиваемыми поверхностями, напряженностью клеевого шва, а такжетехнологическими параметрами склеивания.
При сваркеэлементов конструкций исчезает граница раздела между соединяемыми поверхностямии образуется структурный переходный слой от одного объема полимерных материаловк другому, что обеспечивает создание неразъемных соединений. Сварка полимерныхматериалов может осуществляться с применением конвекционного нагрева, токоввысокой частоты, ультразвука, трения, под действием ИК и лазерного излучения.Прочность соединения зависит от возникающих в переходном слое сил межатомного имежмолекулярного взаимодействия. При сварке термопластов переходный слойобразуется при нагреве или при действии растворителя в результате взаимнойдиффузии макромолекул полимерных материалов, находящихся в вязкотекучемсостоянии. При сварке реактопластов соединение осуществляется вследствиехимичнеского взаимодействия макромолекул соединяемых материалов между собой илисо сшивающим агентом, вводимым в зону сварки (так называемая химическаясварка).
Механическаясборка — способ соединения деталей и элементов конструкций с помощью заклепок,винтов, болтов, шпилек, замков, скрепок и т.д.
2.Применение полимерных материалов
Применение полимерныхматериалов нашло широкое применение при постройке и ремонте вагонов и их узлов.Так при ремонте грузовых вагонов и пассажирских, обращающихся со скоростямидвижения более 160 км/ч для осуществления тормоза, взамен дорогостоящих, болеетяжелых чугунных колодок, применяются тормозные колодки и диски изготовленныеиз композитных материалов. Данные колодки и диски имеют большую эффективностьпри торможении и исключают образование искр в процессе торможения.
Кроме того, широкоеприменение полимерным материалам нашлось при ремонте и изготовлении внутреннегоубранства пассажирских вагонов. При ремонте дверей, перегородок, надоконных иподоконных панелей, столиков купе, ящиков и шкафчиков в купе отдыха проводниковвзамен плит ДВП, окрашенных лакокрасочными материалами, применяется облицовкаиз бумажно-слоистого пластика. Данный материал обладает более высокимиэксплуатационными характеристиками, чем нанесенное на ДВП лакокрасочноепокрытие.
При ремонте окон взамендеревянных окон применяются современные оконные блоки, изготовленные изалюмопласта. Данные окна обладают значительной прочностью соединений,обеспечивают сохранение температурного режима в салоне вагона. Данные окна нетеряют свои свойства при эксплуатации вагонов, исключают необходимостьпроведения технического обслуживания в межремонтные сроки эксплуатации.
Применение полимерныхматериалов дало возможность снизить трудоемкость ремонта вагонов, повыситьэксплуатационные характеристики составных частей вагонов.