Полимеры

Рис. 9. Схема процесса формования листовых термопластов

1 -- лист термопластического материала; 2 -- зажим; 3 -- пуансон; 4 -- размягчен-ный нагревом лист; 5 -- матрица; 6 -- изделие, полученное методом формования лис-товых термопластов

Рис.10. Схема процесса вакуумного формования термопластов

1 -- зажим; 2 -- лист термопласта; 3 -- пресс-форма; 4 -- изделие, полученное мето-дом вакуумного формования термопластов

Рис.11. Схематическое изображение ячеистых структур открытого и закрытого типов, образующихся в процессе вспенивания

1- дискретные (закрытые) ячейки; 2 -- взаимопроникающие (открытые) ячейки;

3 -- стенки ячеек

21.ВСПЕНИВАНИЕ

Вспенивание является простым методом получения пено- и губкообразных материалов. Особые свойства этого класса материалов -- амортизи-рующая способность, легкий вес, низкая теплопроводность - делают их весьма привлекательными для использования в различных целях. Обыч-ными вспенивающимися полимерами являются полиуретаны, полистирол, полиэтилен, полипропилен, силиконы, эпоксиды, ПВХ и пр. Вспененная структура состоит из изолированных (закрытых) или взаимопроника-ющих (открытых) пустот. В первом случае, когда пустоты закрыты, они могут заключать в себе газы. Оба типа структур схематически представлены на рис.11.

Существует несколько методов для производства вспененных или ячеистых пластиков. Один из них заключается в том, что через расплавлен-ный компаунд продувают воздух или азот до его полного вспенивания. Процесс вспенивания облегчается при добавлении поверхностно-активных агентов. По достижении требуемой степени вспенивания матрицу охлажда-ют до комнатной температуры. В этом случае термопластичный материал затвердевает во вспененном состоянии. Термореактивные жидкие форполимеры могут быть вспенены в холодном состоянии, а затем нагреты до полного их отверждения. Обычно вспенивание достигается добавле-нием в полимерную массу пено- или газообразователей. Такими агентами являются низкомолекулярные растворители или определенные химиче-ские соединения. Процесс кипения таких растворителей, как н-пентан и н-гексан, при температурах отверждения полимерных материалов со-провождается интенсивным процессом парообразования. С другой стороны, некоторые химические соединения при этих температурах могут раз-лагаться с выделением инертных газов. Так, азо-бис-изобутиронитрил термически разлагается, освобождая при этом большой объем азота. Азот, выделяющийся в полимерную матрицу в результате протекания реакции между изоцианатом и водой, также используется для производства вспенен-ных материалов, например пены полиуретана.

Поскольку полиуретаны получают по реакции пол-иола с диизоцианатом, то для вспенивания продукта реакции необходимо добавление дополни-тельных небольших количеств диизоцианата и воды. Итак, большое количество паров или газов, выделяемых пено- и газообразователями, приводит к вспениванию полимерной матрицы. Полимер-ную матрицу во вспененном состоянии охлаждают до температур ниже температуры размягчения полимера (в случае термопластичных мате-риалов) или подвергают реакции отверждения или сшивания (в случае термореактивных материалов), в результате матрица приобретает жест-кость, необходимую для сохранения вспененной структуры. Этот процесс называется процессом стабилизации пены. Если матрицу не охлаждать ниже температуры размягчения или не сшивать, наполняющие ее газы покидают систему пор и пена коллапсирует.

Пенопласты могут быть получены в гибкой, жесткой и полужесткой формах. Для того чтобы получить изделия из пенопласта напрямую, вспени-вание следует проводить непосредственно внутри пресс-формы. Пенопласто-вые листы и стержни также могут быть использованы для производства различных изделий. В зависимости от природы полимера и степени вспенивания плотность пенопластов может составлять от 20 до 1000 кг/см³. Ис-пользование пенопластов весьма многообразно. Например, автомобиль-ная промышленность использует большие количества пенопластов из ПВХ и полиуретана для обивки. Большую роль эти материалы играют и при изготовлении мебели. Жесткие полистирольные пенопласты широко ис-пользуются для упаковки и теплоизоляции зданий. Пенорезины и пенополиуретаны используют для набивки матрасов и пр. Жесткие пенополиуретаны также применяются для теплоизоляции зданий и для изготовления протезов.

22. АРМИРОВАНИЕ

При армировании пластической матрицы высокопрочным волокном, получают системы, называемые армированные волокном пластики (АВП). АВП обладают весьма ценными свойствами: их отличает высокое отношение прочности к весу, значительная коррозионная стойкость и про-стота изготовления. Методом армирования волокнами удается получать широкий круг изделий. Например, конструкторов, создателей космических кораблей при создании искусственных спутников в АВП, прежде всего, привлекает поразительно высокое отношение прочности к весу. Красивый внешний вид, небольшой вес и коррозионная стойкость позволяют ис-пользовать АВП для обшивки морских судов. Кроме того, АВП используют даже в качестве материала для танков, в которых хранят кислоты.

Остановимся теперь подробнее на химическом составе и физической природе этих необычных материалов. Как было отмечено выше, они пред-ставляют собой полимерный материал, специальные свойства которого обусловлены введением в него армирующих волокон. Основными мате-риалами, из которых изготовляют армирующие волокна (как мелко на-резанные, 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 ароматиче-ского 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 сисал, асбест и пр. Выбор армирующего волокна, прежде всего, определяется требованиями, предъявляемыми к конечному продукту. Однако стеклянные волокна остаются и по сей день широко используе-мыми и до сих пор вносят основной вклад в промышленное производство АВП. Наиболее привлекательными свойствами стеклянных волокон явля-ются низкий коэффициент термического расширения, высокая стабиль-ность размеров, низкая стоимость производства, высокая прочность при растяжении, низкая диэлектрическая константа, негорючесть и химиче-ская стойкость. Другие армирующие волокна используют в основном в тех случаях, когда требуются некоторые дополнительные свойства для эксплуатации АВП в специфических условиях, несмотря на их, более высо-кую стоимость по сравнению со стеклянными волокнами.

АВП получают путем связывания волокон с полимерной матрицей и ее последующего отверждения под действием давления и температуры. Армирующие добавки могут быть в виде мелко порезанных волокон, длинных нитей и тканей. Основными полимерными матрицами, использу-емыми в АВП, являются полиэфиры, эпоксиды, фенолы, силиконы, меламин, производные винила и полиамиды. Большинство АВП получают на основе полиэфирных полимеров, главное достоинство которых со-ставляет их низкая стоимость. Фенольные полимеры используют в тех случаях, когда требуется высокая термостойкость. Чрезвычайно высокие механические свойства АВП приобретают при использовании в качестве полимерной матрицы эпоксидных смол. Использование силиконовых полимеров придает АВП замечательные электрические и термические свойства.

В настоящее время существует несколько методов армирования пласти-кой. Наиболее часто используемыми из них являются: 1) метод наслоения листов вручную, 2) метод наматывания волокна, 3) метод пропитки распылением.

Рис.12. Схематическое изображение метода наслоения листов вручную

1 - чередующиеся слои полимера и стеклоткани; 2 - пресс-форма; 3 - прокаты-вающий ролик

Рис 13 Схематическое изображение метода наматывания волокна

1- подающая катушка; 2 - непрерывная нить; 3 - узел для пропитки волокна и отжима смолы; 4 - сердечник; 5 - пропитанные смолой волокна, намотанные на сер-дечник

а). Метод наслоения листов вручную

Вполне вероятно, что это самый простой метод армирования пласти-ков. В этом случае качество конечного продукта во многом определяется умением и мастерством оператора. Весь процесс состоит из следующих стадий. Вначале форму покрывают тонким слоем адгезионной смазки на основе поливинилового спирта, силиконового масла или парафина. Это делается для предотвращения прилипания конечного изделия к форме. Затем форму покрывают слоем полимера, поверх которого кладут стекло-ткань или мат. Эту стеклоткань, в свою очередь, покрывают другим слоем полимера. Все это для однородного прижимания стеклоткани к полимеру и удаления пузырьков воздуха плотно прокатывают роликами. Коли-чество чередующихся слоев полимера и стеклоткани определяет толщину образца (рис.12). Затем при комнатной или повышенной температуре происходит отверждение системы. После отверждения армированный пластик снимают с формы и проводят зачистку и окончательную отделку. Этим методом получают листы, части автомобильного кузова, корпуса для судов, трубы и даже фрагменты зданий.

б). Метод наматывания волокна

Этот метод очень широко используется для производства таких армиро-ванных пластических изделий, как цилиндры, выдерживающие высокие давления, цистерны для хранения химических веществ и корпуса моторов ракет. Он состоит в том, что непрерывную мононить, волокно, пучок волокон или тканую ленту пропускают через ванную со смолой и отвердителем. По мере выхода волокна из ванны избыток смолы отжимается. Пропитанные смолой волокна или ленту затем наматывают на сердечник требуемой формы и отверждают под действием температуры. Наматыва-ющая машина (рис.13) сконструирована так, чтобы волокна могли наматываться на сердечник определенным образом. Натяжение волокна и способ его наматывания очень важны с точки зрения конечных деформационных свойств готового изделия.

в). Метод опрыскивания

В этом методе используют пульверизатор с многоручьевой головкой. Струи смолы, отвердителя и нарезанного волокна одновременно подаются из пульверизатора на поверхность формы (рис.14), где они образуют слой определенной толщины. Нарезанное волокно определенной длины получают непрерывной подачей волокон в измельчающую головку ап-парата. После достижения требуемой толщины полимерную массу при нагревании отверждают. Распыление является экспресс-методом для по-крытия больших поверхностей. Многие современные пластические изделия, такие, как грузовые платформы, резервуары для хранения, кузова грузо-виков и корпуса кораблей, получают именно этим методом.

 Рис.14. Схематическое изображение метода опрыскивания

1 -- форма; 2 -- распыленная смесь нарезанного волокна и смолы; 3 -- струя на-резанного волокна; 4 -- непрерывное волокно; 5-- смола; 6-- отвердитель; 7 -- узел для нарезания волокна и распыления; 8 -- струя смолы

 Рис.15. Схематическое изображения метода производства непрерывных слоис-тых материалов

1-- подающие катушки; 2 -- непрерывные листы стеклоткани; 3 -- ванна для про-питки в смеси смолы с отвердителем; 4 - непрерывный слоистый пластик; 5 - слоис-тый пластик, нарезаемый на куски необходимого размера

23.Другие методы

Кроме описанных выше методов, в производстве армированных пласти-ков известны и другие, каждый из которых имеет свое специфическое назначение. Так, метод изготовления непрерывных слоистых материалов используют для производства непрерывных листов армированных слоистых пластиков различной толщины. В этом процессе каждый отдельный слой тканой ленты, поступающей с рулонов, пропитывают смолой и отвердителем, а затем спрессовывают вместе, пропуская через систему горячих валков. После отверждения под действием температуры получают слоистый пластик I требуемой толщины (рис.15). Толщину материала можно варьировать, изменяя количество слоев.

Рис.16. Схематическое изображение метода получения одноосно ориентированно-го волокнистого пластика

1 -- непрерывный пучок волокон, пропитанный смолой и отвердителем; 2 -- нагре-вательный элемент; 3 -- фильера; 4 -- вращающиеся вытягивающие валки; 5 -- гото-вое изделие, нарезанное на куски; 6 -- профиль готового изделия

Другой метод, известный как метод получения одноосно ориентирован-ного волокнистого пластика, позволяет изготовить из непрерывных пуч-ков волокон такие изделия, как полые прутья или рыболовные удочки. Этот процесс сравнительно прост. Непрерывный пучок волокон, предвари-тельно обработанный смолой и отвердителем, протягивают через фильеру соответствующего профиля (рис.16), нагретую до определенной тем-пературы. На выходе из фильеры профилированное изделие продолжают нагревать. Отвержденный профиль вытягивают из фильеры системой враща-ющихся валков. Этот процесс несколько напоминает экструзию с той лишь разницей, что при экструзии полимерный материал проталкивают через фильеру изнутри с помощью вращающегося шнека, а в описанном методе материал протягивают через выходное отверстие фильеры с внеш-ней стороны.

Кроме того, смесь, содержащая нарезанные волокна, смолу и отверди-тель, может быть сформована любым другим подходящим методом, на-пример методом прямого прессования. Термопластичные материалы, наполненные нарезанными волокнами, могут быть сформованы прямым прессованием, литьем под давлением или экструзией для получения конеч-ного продукта с улучшенными механическими свойствами.

24.ПРЯДЕНИЕ ВОЛОКОН

Полимерные волокна получают в процессе, называемом прядением. Существуют три принципиально различных метода прядения: прядение из расплава, сухое и мокрое прядение. В процессе прядения из расплава полимер находится в расплавленном состоянии, а в других случаях - в виде растворов. Однако во всех этих случаях полимер, в расплавлен-ном или растворенном состоянии, протекает через многоканальный мундштук, представляющий собой пластину с очень мелкими отверстиями для выхода волокон.

Рис.17. Схематическое изображение процессов сухого прядения (а) и прядения из расплава (б)

1 -- загрузочная воронка; 2 -- полимерные чешуйки; 3 -- нагретая решетка; 4 -- го-рячий полимер; 5 -- дозирующий насос; 6 -- расплав; 7-- многоканальный мундштук, 8 -- свежеспряденное волокно; 9 -- катушка; 10 -- раствор полимера; 11 -- фильтр;

12 -- дозирующий насос; 13 -- многоканальный мундштук; 14 -- свежеспряденное во-локно; 15 -- на катушку

25.Прядение из расплава

В своей простейшей форме процесс прядения из расплава может быть представлен следующим образом. Первоначально полимерные чешуйки расплавляют на нагретой решетке, превращая полимер в вязкую подвиж-ную жидкость. Иногда в процессе нагревания происходит образование комков вследствие протекания процессов сшивания или термической деструкции. Эти комки могут быть легко удалены из горячего полимер-ного расплава пропусканием через систему блок-фильтров. Кроме того, для предотвращения окислительной деструкции расплав следует защищать от кислорода и воздуха. Это достигается в основном созданием вокруг расплава полимера инертной атмосферы азота и водяного пара. Дози-рующий насос подает расплав полимера с постоянной скоростью на много-канальный мундштук (фильеру). Расплав полимера проходит через систему мелких отверстий мундштука и выходит оттуда в виде непрерывных и очень тонких мононитей. При контакте с холодным воздухом происходит мгновенное затвердевание волокон, выходящих из фильер. Процессы охлаждения и отверждения могут быть в значительной мере ускорены при обдувке холодным воздухом. Выходящие из фильер твердые мононити наматываются на катушки. Важная особенность, которую следует учитывать в процессе прядения из расплава, заключается в том, что диаметр мононити в значительной степени зависит от скорости, с которой расплавленный полимер проходит через фильеру, и от скорости, с которой мононить вытягивают из фильеры и сматывают на катушки.

  Рис.18. Схематическое изображение процесса мокрого прядения

1 -- раствор полимера; 2 -- фильтр; 3 -- дозирующий насос; 4 -- многоканальный мундштук; 5 -- осадитель; 6 -- свежеспряденное волокно; 7 -- ванна для коагуля-ции и осаждения; 8 -- ванна для промывки; 9 -- сушка; 10 -- на катушку

26.Сухое прядение

Большое количество таких традиционных полимеров, как ПВХ или полиакрилонитрил, перерабатывают в волокна в крупных масштабах в процессе сухого прядения. Суть этого процесса показана на рис. 17. Полимер растворяют в соответствующем растворителе с образованием высококонцентрированного раствора. Вязкость раствора регулируют увеличением температуры. Горячий вязкий раствор полимера продавли-вают через фильеры, получая, таким образом, тонкие непрерывные струйки. Волокно из этих струек образуется при простом испарении растворителя. Испарение растворителя может быть ускорено путем обдувания встреч-ным потоком сухого азота. Волокна, образующиеся из раствора полимера, в конце концов, наматывают на катушки. Скорость прядения волокон может достигать 1000 м/мин. Промышленные ацетатцеллюлозные волокна, полученные из 35%-ного раствора полимера в ацетоне при 40°С, служат типичным примером получения волокон методом сухого прядения.

27.Мокрое прядение

При мокром прядении, как и при сухом, используют сильно концентри-рованные полимерные растворы, высокую вязкость которых удается понизить повышением температуры прядения. Детально процесс мокрого прядения показан на рис. 18. В процессе мокрого прядения происходит переработка вязкого раствора полимера в тонкие струнки при пропуска-нии через фильеры. Затем эти полимерные струйки попадают в коагуляционную ванну с осадителем, где и происходит высаживание полимера из раствора в виде тонких нитей, которые после промывки, сушки и пр. собирают на катушках. Иногда в процессе мокрого прядения вместо не-прерывных нитей образуются комки, что происходит в результате об-рыва вытекающей из фильеры струйки под действием сил поверхностного натяжения. Этого удается избежать при увеличении вязкости полимерного раствора. Коагуляция, которая является лимитирующей стадией мокрого прядения, процесс довольно медленный, чем и объясняется низкая, по сравнению с другими, скорость прядения раствора, равная 50 м/мин. В промышленности процесс мокрого прядения используют для получения волокон из полиакрилонитрила, целлюлозы, вискозного волокна и т.д.

Рис.19. Схематическое изображение аппарата для одноосного ориентирования

1-- невытянутая нить; 2 -- зона вытяжки; 3 -- растягивающая шпилька; 4-- вытя-нутое волокно

28.Одноосная ориентация

В процессе прядения волокон из полимерного расплава или раствора макромолекулы в волокне не ориентированы и, следовательно, их степень кристалличности сравнительно низка, что нежелательным образом отража-ется на физических свойствах волокна. Для улучшения физических свойств волокна подвергают операции, называемой одноосной вытяжкой, ис-пользуя растягивающие аппараты определенного типа.

Основной особенностью аппарата является наличие системы двух роли-ков А и В (рис.19), вращающихся с различными скоростями. Ролик В вращается в 4--5 раз быстрее ролика А. Спряденную нить последовательно пропускают через ролик А, растягивающую шпильку 3 и ролик В. По-скольку ролик В вращается со скоростью большей, чем ролик А, волокно вытягивается под нагрузкой, задаваемой шпилькой 3. Вытяжка волокна осуществляется в зоне 2. После прохождения через ролик В вытянутая полимерная нить наматывается на металлическую бобину. Несмотря на то, что в процессе вытяжки происходит уменьшение диаметра нити, ее прочностные свойства в значительной степени улучшаются вследствие ориентации макромолекул, параллельно оси волокна.

29.Последующая обработка волокон

Для улучшения полезных свойств волокон их часто подвергают до-полнительной специальной обработке: очистке, смазке, проклейке, краше-нию и т.д.

Для очистки используют мыла и другие синтетические моющие средства. Очистка есть не что иное, как удаление грязи и других примесей с поверх-ности волокна. Смазка заключается в обработке волокон с целью защиты их от трения с соседними волокнами и грубыми металлическими поверх-ностями в процессе переработки. В качестве смазывающих агентов в основ-ном используют природные масла. Смазывание приводит также к умень-шению статического электричества, накапливающегося на волокнах.

Проклейкой называют процесс защитного покрытия волокон. В качестве проклеивающих материалов для большинства волокон используют поли-виниловый спирт или желатину. Проклейка позволяет удерживать волокна в пределах компактного пучка и обеспечивает, таким образом, равномерное качество. Перед крашением ткани проклейку следует удалять промыва-нием в воде.

Для окрашивания волокна помещают в раствор красителя, молекулы которого проникают обычно лишь в аморфные области волокна.

Волокна на основе целлюлозы или белков быстро адсорбируют кислот-ные красители, которые легко связываются с амино- или гидроксильными группами полимеров. Процесс крашения синтетических волокон, таких, как полиэфиры, полиамиды или акрилы, протекает намного медленнее. Скорость крашения в этом случае удается увеличивать повышением тем-пературы. Крашение волокон на основе поливинилхлорида, полиэтилена и пр. практически невозможно без введения в них активных абсорбцион-ных центров при сополимеризации и химическом окислении.