Виробництво пластмас

Пластмасами називають матеріали, основу яких складають синтетичні чи природні високомолекулярні сполуки (високо-полімери), які здатні під впливом нагрівання та тиску формува­тися і при охолодженні зберігати заздалегідь придбану форму. Пластмаси є найважливішим конструкційним матеріалом, вони широко застосовуються в народному господарстві, у тому числі у всіх галузях машинобудування і приладобудування, в будівництві, побуті, тощо.

Пластмаси за своїми властивостями дуже різноманітні, в тому числі високоміцні, напівпровідникові, струмопровідні, магнітні, фрікційні, антифрикційні та ін. Ці матеріали замінюють у ряді випадків метали, які здебільшого дорожчають. Крім того, багато пластмас є унікальними за своїми властивостями. В останні роки виробництво пластмас бурхливо розвивається.

Вихідним матеріалом при виготовленні пластичних мас, а також плівок, волокон, каучуків, клеїв, лаків і т.ін, є полімери.

Загальні відомості про полімери. Продукти з’єднання однакових молекул у вигляді повторюванних ланок називаються полімерами. Отже полімери складаються з макромолекул, до яких входять від двох до декількох тисяч простих молекул.

У залежності від величини молекули змінюються властивості речовини. Наприклад, якщо молекула складається з двох елемен­тарних ланок СН₂ = СН₂, то речовина являє собою безбарвний газ (етилен). Якщо в молекулі 20 таких елементарних ланок, то утвориться рідина; якщо ланок буде 1500...2000, вийде еластич­ний гнучкий пластик — поліетилен, з якого роблять плівки, м'які труби; якщо ж число ланок збільшується до 5000...6000, то утво­риться жорсткий, твердий поліетилен.

Змінюючи сполуку вихідних речовин і послі­довність чергування атомів у ланцюгах, можна змінювати власти­вості полімерів і одержувати з них вироби пружні і гнучкі чи тверді. А саме від виду ланцюга полімеру залежать такі властивості, як розчинність, пластичність, здатність при нагріванні переходити у в'язкотекучий стан, адгезійна здатність.

Залежно від побудови макромолекул полімери поділяються на лінійні, розгалужені і просторові.

Залежно від поведінки при нагріванні полімери поділяються на термопластичні і термореактивні.

За походженням полімери діляться на природні – полісахаріди (целюлоза, крохмаль, білки, натуральний каучук) і синтетичні (смоли, пластмаси, волокна, каучуки, лаки).

Синтетичні полімери отримують полімерізацією або поліконденсацією.

Полімерізація – процес утворення під високим тиском високомо-лекулярних з’єднань із ненасичених низькомолекулярних речовин (мономерів) шляхом приєднання, при якому не утворюється ніяких побічних продуктів. При цьому елементи складу полімерів і мономерів однакові.

Поліконденсація – процес утворення високомолекулярних з’єднань шляхом знищення елементів складу з видділенням деяких низькомолекулярних продуктів (води, водню, хлору). При цьому елементи складу полімерів і мономерів відрізняються.

На відміну від полімерізації поліконденсація є ступінчатим процесом, у якому послідовно приєднуються одна молекула до іншої.

За агрегатним станом полімери можуть бути рідинними (розчини, емульсії, в’язкі маси) і твердими (гранули, порошки, куски).

Виробництво полімерів є високоавтоматизованим, безлюдним і безвідходним, тобто повністю відповідає сучасним вимогам до виробництва.

У виробництві пластмас використовуються наповнювачі, які сполуками поділяють на органічні і неорга­нічні, а за структурою — на волокнисті і зернисті (іноді порошкові).

У якості наповнювачів при виробництві пластмас застосовують де­ревне борошно, целюлозу, деревну шпону (тонкі аркуші), бавов­няні очоси, бавовняні тканини, тканини із синтетичних волокон, органічні наповнювачі; азбестове волокно і тканину, скляне во­локно, склотканину, коротко волокнистий азбест (як порошко­вий наповнювач), каолін, слюду, кварцове борошно, тальк, вап­но, кізельгур і інші — неорганічні наповнювачі.

Наповнювачі в складі пластмас поліпшують їхні механічні властивості, крім того, вони відносно дешеві, і відповідно знижу­ють вартість виробів.

Органічні наповнювачі добре просочуються полімерами. Волокнисті наповнювачі укріплюють вироби на розривання і удар­ний вигин. Неорганічні порошкові наповнювачі поліпшують во­достійкість, теплостійкість і твердість виробів, зменшують їхню шпаруватість, гігроскопічність.

\/ Пластифікатори. Пластифікатори, що додаються до термопла­стичних смол, знижують температуру їхнього розм'якшення, а це сприяє їхньому формуванню. Як пластифікатори застосовують найчастіше низькомолекулярні висококиплячі рідини: складні ефі­ри, хлоровані вуглеводи, тощо. При поглинанні пластифікаторів полімери набухають, при цьому молекулярні шари пластифікатора розташовуються навколо ланцюгових макромолекул і послабля­ють зв'язки між ними. Цим з'ясовується зниження температури юзм'якшення і твердіння полімеру, тобто переходу зі склоподібно-о стану в в'язкотекуче при нагріванні і навпаки при охолодженні.

В одних випадках пластмаси складаються тільки з полімеру, в інших – містять складні композиції, в яких окрім полімеру є наповнювачі. При цьому основою завжди є полімер, властивості якого зумовлюють технологію виготовлення деталі вцілому. Наповнювачі лише надають виробу певних властивостей: колір, міцність, твердість, тепопроводність і т.ін.

Широке застосуавння пластичних мас визначається їх позитивними властивостями:

- низька густина (0,9 – 1,2 г/см³);

- висока демпфірна здатність (звукоізоляція);

- висока стійкість до агресивних середовищ;

- високі діелектричні властивості (діелектрики);

- низька теплопроводність (теплоізолятори);

- високі антифрикційні властивості (низький коефіцієнт тертя);

- можливість зміни властивостей у широкому діапазоні (за рахунок наповнювачів);

- простота формоутворення складних за формою заготовок при порівняно низьких температурах;

- відмінна оброблюваність різанням.

У багатьох випадках пластмаси можуть замінити метали, але прогнози 50-х років про те, що пластмаси майже повністю витіснять метали, не збулися через їх недоліки:

- невисока міцність, зокрема контактна;

- обмеженість розмірів деталей;

- невисокий температурний режим експлуатації (до 60-100ºC);

- порівняно висока вартість багатьох із них.

Пластмаси застосовують у машинобудуванні, приладобудуванні, електро і радіотехніці, промисловості, засобах зв’язку, у капітальному будівництві, в легкій, харчовій, хімічній промисловості, у сільському господарстві і в побуті.

Техніка і технологія виготовлення деталей з пластмас. Специфічні фізичні і технологічні властивості полімерів визначають своє­рідні методи їхньої переробки у вироби і напівфабрикати. Основ­ними методами переробки полімерів є екструзія, звичайне лиття, лиття під тиском, звичайне пресування, литьове пресування, ва­куумне і пневматичне формування, вальцювання, спінювання, зварювання, гаряче напилювання, стругання в аркуші, а також обробка на верстатах зняттям стружки.

Існує кілька методів виготовлення пластмасових виробів. Усі вони потребують спеціального дорогого оснащення. Розглянемо найбільш поширені методи.

1. Лиття під тиском. Це найпродуктивніший метод. Викорис-товується у масовому виробництві. Виконується на спеціальних машинах, приз-начених для розплавлення матеріалу і подавання його під поршнем (тиск 50-250МПа) в закриту охолоджувану пресформу, при розкритті якої виріб автоматично виштовхується. Пресформа являє собою збірний металевий пристрій, всередині якого знаходиться порожнина, яка за формою відповідає формі майбутньої деталі. Наступна операція – обрізання ливника, який знов іде на переплавку. Далі – механічна обробка, якщо вона потрібна.

Для кожного виробу необхідно виготовляти свою пресформу.

2. Пресування. Пресування полягає в тому, що вихідний матеріал у виг-ляді гранул або волокон укладається у пресформу, підогріту до температури 130-180ºC. Потім укладена маса стискається пуансоном на гідравлічних пресах зусиллям від 10 до 1000т. Пластмаса при цьому сплющується і стає однорідним матеріалом, який повністю заповнює порожнину пресформи. Після відходу пуансону деталь виштовхується, оскільки вона розігріта але тверда. Ливника у цьому випадку немає, тобто матеріал використовується більш економно, ніж при виготовленні деталі литтям під тиском.

3. Пневматичне формування. Здійснюється на спеціальних машинах, які можуть утворювати повітряний тиск або вакум. Застосовується для виготовлення деталей із листового матеріалу, який підіргівають до пластичного стану. Товщина листа 1,5-4 мм. Підогрів матеріалу теж здійснює машина. Формування заготовки відбувається в пресформі під дією стислого повітря. Після формування заготовку обрізають по контуру у обрізному штампі під пресом. Отже у цьому випадку окрім пресформи необхіден ще й штамп.

4. Екструзія. Екструзія – це видавлювання пластмаси із порожнини через отвір під тиском. Пластмаса знаходиться у розплавленому стані, але після виходу через отвір миттєво затвердіває і набуває форми отвору при необмеженій довжині. Здійснюють на спеціальних шнекових машинах, які призначені для виговлення пластмасових труб, а також для нанесення ізоляції на дріт (точно так наносять на дріт і гумову ізоляцію).

У якості армуючого наповнювача застосовують найчастіше склотканину і скловолокно, у якості сполучника — фенольні, епоксидні і насичені поліефірні смоли.

Окрім перелічених методів із листової пластмаси товщиною до 6,5 мм можна одержувати заготовки штампуванням, гнуттям, пробиванням, відбортуванням та ін.

При невисоких вимогах до точності виробів усі способи виготовлення пластмасових виробів дають змогу отримувати готову деталь. Лише для деяких точних деталей, наприклад втулок, необідна подальша обробка різанням.

Лиття під тиском і пресування дозволяють виготовляти заготовки, армовані металевими елементами, які підвищують міцність деталей, але пресформа і технологія при цьому ускладнюється.