Краткие теоретические сведения

Происхождение неметаллических материалов и связанные с ним условия их получения и переработки во многом определяют технико-экономические показатели и возможности их практического использования.

Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой цепь или пространственную решетку последовательно соединенных одинаковых групп атомов, повторяющихся большое количество раз. Молекулярная масса полимеров очень велика (от нескольких тысяч до миллионов). Полимерные вещества существуют в природе (крахмал, целлюлоза, белки), но подавляющее большинство полимеров, используемых для получения пластмасс, — синтетические.

Исходные вещества, из которых синтезируют полимеры, называют мономерами. Это обычно довольно простые и доступные продукты, получаемые из нефти, газа, угля и других широко распространенных веществ. Синтетические полимеры получают двумя различными способами— полимеризацией и поликонденсацией. Полимеризацией получают такие широкораспространенные полимеры, как полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол, а поликонденсацией — фенолформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные полимеры. Часто процесс поликонденсации ведут так, что образуются продукты с не очень высокой молекулярной массой (до 1000), способные к дальнейшим взаимодействиям. Эти вещества, обычно вязкие жидкости, называют олигомерами (например, некоторые эпоксидные и полиэфирные смолы до их отверждения).

Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться и отвердевать при попеременном нагревании и охлаждении. Большинство из них хорошо растворимы в органических растворителях. Характерной особенностью многих термопластичных полимеров является быстрое снижение механических свойств при повышении температуры. Все эти свойства обусловлены линейным строением молекул полимера, их малой связью друг с другом, снижающейся при нагревании, и неспособностью к образованию сетчатых (сшитых) макромолекул. Примером термопластичных полимеров могут служить полиэтилен, полистирол, поливинлхлорид.

Термореактивные полимеры в отличие от термопластичных отвердевают необратимо. Отверждение происходит в результате сшивания линейных молекул в пространственные структуры как с помощью отверждающих добавок (отвердителей, вулканизаторов), так и за счет активных групп самих полимеров. В неотвержденном состоянии термореактивные полимеры обычно представляют собой олигомерные продукты. Термореактивные полимеры после отвердевания не растворяются ни в каких растворителях, хотя могут набухать в некоторых из них; при повышении температуры до некоторого предела они незначительно изменяют свои свойства, а затем наступает их термодеструкция (разложение). В отвержденном виде термореактивные полимеры более твердые и прочные, чем термопластичные. Примером термореактивных полимеров могут служить фенолформальдегидные, карбомидные, эпоксидные полимеры.

К настоящему времени синтезировано большое количество полимеров (несколько тысяч), но широкое применение в народном хозяйстве нашло только около 20 так называемых крупнотоннажных полимеров.

Полимерные материалы могут перерабатываться в изделия самыми разнообразными методами. При этом параметры переработки (температура и давление) значительно ниже, чем при переработке таких материалов, как металлы, стекло и керамика. Способ обработки и ее режим определяются видом полимера и типом получаемого изделия.

Общая схема производства пластмасс включает традиционные процессы - дозировку и приготовление полимерной композиции, формование изделий и стабилизацию их формы и физико-механических свойств.

Приготовление композиций производят на смесителях различных систем. Для перемешивания сухих композиций обычно используют турбулентные и шнековые смесители. Специфическим широко используемым способом приготовления полимерных композиций является вальцевание.

Вальцевание - операция, при которой масса перетирается в зазоре между обогреваемыми валками, вращающимися в противоположном направлении. Вальцевание позволяет равномерно перемешать компоненты смеси. При многократном пропускании массы через валки полимер в результате термомеханических воздействий переходит в пластично-вязкое состояние. Этот процесс называется пластикацией.

Экструдирование - перемешивание массы в обогреваемом шнековом прессе (экструдере) с последующим продавливанием массы сквозь решетку для формования полуфабриката в виде гранул.

Выбор способа формования зависит в основном от вида получаемой продукции. Так, листовые материалы формуются обычно на каландрах, трубы и погонажные профильные изделия экструдируют, штучные изделия в основном формуют литьем под давлением.

Литье. Термопластичный полимер в виде гранул загружают в приемный бункер, из которого через воронку они поступают в цилиндрическую полость инжекционной машины, где электрообогревом поддерживается заданная высокая температура. Периодически приводимый в движение поршень выдавливает размягченный до пластического состояния материал в разборные охлажденные прессформы.

Отформованные изделия освобождают из форм и направляют на склад. Этим способом изготовляют сплошные изделия небольших размеров.

При простом литье жидкая композиция или расплав заливаются в формы и отвердевают в результате реакций полимеризации, поликонденсации или вследствие охлаждения.

Непрерывное профильное выдавливание (экструзия). Гранулы термопластичного полимера из загрузочного бункера поступают в пресс, в котором, нагреваясь, размягчаются. Затем материал шнеком подается к головной части машины, где продавливается через мундштук с сечением, соответствующим требуемому профилю изделия.

Методом непрерывного выдавливания изготовляют трубы и погонажные изделия лестничные поручни, плинтусы, пленки, стержни и др.

Переработка на вальцах с последующим каландрированием. Исходные сырьевые смеси, состоящие из термопластичной смолы, пластификатора и других компонентов, после тщательного перемешивания в обогреваемых механических смесителях пластицируют на горячих вальцах, а затем формуют в рулонные материалы на специальных машинах - каландрах (пресс, состоящий из системы валов). Этим способом изготовляют одно- и двухслойные рулонные материалы.

Специфическая особенность изделий, отформованных на каландре, состоит в появлении анизотропии механических свойств, называемой каландровым эффектом. Этот эффект возникает благодаря ориентации частиц полимера в направлении каландрирования и оценивается разницей прочности вдоль и поперек листа.

Пластмассы на основе термореактивных полимеров перерабатывают в изделия прессованием. При формовании прессованием пресс-порошок, состоящий из порошкообразной термореактивной смолы и измельченного наполнителя, подается в обогреваемую пресс-форму. Пресс-порошок при этом размягчается и под давлением заполняет всю полость формы; здесь же происходит и отвердевание его в готовые изделия. В пресс-формах изготовляют детали санитарно- и электротехнического оборудования, оконные и дверные приборы, фурнитуру, детали строительных машин и механизмов.

Для плоского прессования строительных листовых пластиков и панельных изделий применяют многоэтажные (15...20 ярусов) гидравлические прессы усилием 100...500 кН, обогреваемые перегретой водой или паром. Пакеты для прессования разделяют металлическими листами и помещают в пресс. При температуре 140... 160 °С в обжатом состоянии происходит склеивание частиц в изделие. Методом плоского прессования формуют древесностружечные плиты, бумажные слоистые пластики, фанеру.

Методом вспенивания изготовляют пористые теплоизолирующие пластмассы амортизирующие прокладки. Пористая структура пластмасс получается в результате вспенивания жидких или вязкотекучих композиций под влиянием газов, выделяющихся при реакции между компонентами или разложении специальных добавок (порофоров) от нагревания. Вспенивание также производится механически путем смешивания полимерной композиции с пеной или нагнетания (растворения) в полимере газообразных и легкоиспаряющихся веществ (производство пенополистирола)

Термоформованием называют переработку нагретых листовых, пленочных, трубчатых пластмассовых заготовок с целью придания им более сложной формы и получения готовых изделий. Усилие, необходимое для формования, создается механически, гидравлически, пневматически, при помощи вакуума или комбинацией двух из этих способов.

Штампованием нагретых заготовок изготовляют детали канализационных систем, световые колпаки из оргстекла; вакуум-формованием нагретых листов - детали санитарно-технического оборудования из ударопрочного полистирола, виниловых полимеров.

Механические свойства материала зависят от метода получения материала и изделий. Одним из способов определения механических свойств является метод испытания на сжатие – ГОСТ4651-82.