Производство пенопластов и деталей из них

СОДЕРЖАНИЕ

 

Лабораторная работа № 1. Получение и исследование
структурных и механических характеристик пенопластов ……..	4
Лабораторная работа № 2. Входной контроль армирующих
материалов КМ..…………………………………………………..	19
Лабораторная работа № 3. Технология производства деталей,
узлов и агрегатов из КМ, приготовление полимерных
матричных материалов для ПКМ и определение их
технологических параметров ……………………………………	47
Лабораторная работа № 4. Изучение зависимости свойств
однонаправленных композиционных материалов от
характеристик компонентов и степени армирования …………...	71
Лабораторная работа № 5. Клеи и процессы склеивания. Применение клеев для создания неразъемных соединений
элементов конструкций АКТ ……………………………………...	83
Библиографический список ………………………….................	106

 

Лабораторная работа № 1

Получение и исследование структурных и механических

Характеристик пенопластов

Цель работы

1. Изучить классификацию и способы производства пенопластов.

2. Ознакомиться с составом, свойствами, маркировкой и применением пенопластов на основе различных полимеров.

3.  Освоить технологию производства деталей и полуфабрикатов на основе полистирола самовспенивающегося (ПСВ).

4. Изучить влияние режимов вспенивания на плотность, жесткость, механические свойства и структуру пенопласта.

 

Содержание работы

Пенопласты представляют собой одну из разновидностей газонаполненных пластмасс.

Свойства пенопластов определяются природой и свойствами полимерной фазы, соотношением полимерной и газовой фаз и фазовой структурой материала – формой и размерами ячеек, а также равномерностью их распределения по объему.

Основные свойства пенопластов – низкая кажущаяся плотность (20…820 кгс/м³), высокие тепло-, звуко- и электроизоляционные характеристики, высокие демпфирующие свойства и другие. Это определяет их основные области применения в АКТ, общем машиностроении,  радио- и электротехнике,  судостроении и других отраслях.

Газонаполненные полимеры наиболее часто применяются в качестве заполнителей элементов силовых конструкций для повышения их жесткости (винты самолетов и вертолетов, агрегаты из КМ и др.); для создания многослойных демпфирующих конструкционных материалов с высокой усталостной прочностью, способных работать при вибрационных нагрузках; для теплоизоляции конструкционных элементов, подвергающихся нагреву; для звукоизоляции силовых установок летательных аппаратов и боксов испытательных станций; для производства составных элементов радио- и электротехнической аппаратуры, обладающих радиопрозрачностью; для создания непотопляемых деталей и элементов плавающих конструкций и для других целей.

По материалу полимерной фазы пенопласты подразделяются на пенотермопласты (на основе термопластичных смол) и пенореактопласты (на основе термореактивных и отверждаемых с помощью отвердителей полимеров).

Плотность полимера, как правило, – величина более или менее постоянная. Плотность поропенопластов, естественно, ниже плотности полимеров, на основе которых они изготовлены. Эта плотность зависит от соотношения полимерной и газовой фаз в поропенопласте и может колебаться в широких пределах. Плотность поропенопластов в отличие от плотности монолитных полимеров называют кажущейся плотностью.

По объемному содержанию полимерной и газовой фаз, которое характеризует кажущуюся плотность, пенопласты подразделяют на “легкие”, кажущаяся плотность которых меньше 500 кг/м³, и “тяжелые” с кажущейся плотностью больше 500 кг/м³ (в этих пенопластах газообразная фаза составляет менее 50% всего объема).

По структуре газонаполненные материалы разделяют на две группы:

- пенопласты – материалы с ячеистой структурой, в которой газ заполняет несообщающиеся между собой ячейки;

- поропласты – материалы, в которых заполненные газом полости сообщаются между собой (например поролоны).

Такое разделение газонаполненных полимеров условно, так как не удается получить материалы только с открытыми или только с закрытыми ячейками.

По соотношению закрытых ячеек и открытых пор пенопласты подразделяют на закрытоячеистые и пористые. По распределению ячеек в объеме выделяют материалы с равномерным распределением ячеек и интегральные пенопласты с резко выраженным градиентом плотности от поверхности к центру.

К пенопластам относят также пластики с полыми наполнителями. В качестве полых наполнителей используют частицы сферической формы диаметром 20…70 мкм (микросферы) или 10…40 мм (макросферы). Полые сферические наполнители могут быть полимерными, стеклянными, керамическими и др. В качестве связующих в пластиках с полым наполнителем используют различные полимеры: эпоксидные и полиэфирные смолы, фенолоформальдегидные и кремнийорганические смолы, поливинилхлорид и др.

По жесткости пенопласты разделяют на эластичные, или мягкие (напряжение сжатия при 50%-ной деформации ), полужесткие () и жесткие ().

 

Производство пенопластов и деталей из них

Технология производства пенопластов состоит из операций приготовления композиции, введения газовой фазы в полимерную среду (чаще всего путем вспенивания), придания вспененной массе необходимой формы с последующей ее фиксацией. Операция формообразования может предшествовать процессу вспенивания.

Приготовление композиции заключается в смешивании компонентов. В состав пенопластов могут входить полимеры или олигомеры, отвердители, катализаторы, пластификаторы, красители, стабилизаторы, наполнители, газообразователи и др.

Рассмотрим основные способы введения газовой фазы в полимерную среду при производстве пенопластов.

1. Смешивание композиции, находящейся в вязкотекучем состоянии, с газом при нормальном давлении (механическое вспенивание).

Механическое вспенивание проводится в вертикальных цилиндрических аппаратах, снабженных многолопастными мешалками. В аппарат заливаются растворы полимеров или олигомеров. В нижнюю часть аппарата при работающей мешалке подается сжатый воздух. Взбитая пена через отверстия в днище аппарата сливается в формы, в которых происходит сушка и отверждение блоков полимера. Данным методом получают материалы, имеющие преимущественно открытую структуру ячеек, так как растворители, которые удаляются в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушают их. Таким способом получают пенополивинилхлорид и пенопласты на основе карбамидных смол (мипора).

2. Насыщение композиций, находящихся в вязкотекучем состоянии (расплавы полимеров, олигомеры, пасты, сырые резиновые смеси), газом при высоком давлении.

Газом при высоком давлении насыщают расплавы полимеров, полимерные пасты и резиновые смеси. Насыщение газами (N₂, СО₂) проводится в автоклавах при давлении от 2 (20) до 30 МН/м² (300 кгс/см²). Под давлением происходит растворение газа в композиции и образование насыщенного раствора. При последующем сбросе давления растворимость газа в композиции резко снижается и он начинает выделяться в виде газовых пузырьков, равномерно распределенных в объеме композиции. Путем последующего нагрева можно увеличить степень вспенивания и уменьшить кажущуюся плотность пенопласта. В зависимости от степени насыщения полимерных композиций газом и режима вспенивания можно получить пенопласты как с закрытой, так и с открытой структурой ячеек.

3. Насыщение полимерных композиций легкокипящими жидкостями, которые при нагревании превращаются в пар.

Насыщение термопластичных полимеров легкокипящими жидкостями осуществляется в процессе их получения, например при суспензионной полимеризации. Мономер и легкокипящую жидкость (изопентан, метиленхлорид) подбирают так, чтобы легкокипящая жидкость растворялась в мономере, но не растворялась в полимере. Выделение легкокипящей жидкости в виде отдельной фазы происходит в момент превращения капелек мономера в полимер, поэтому в образующихся гранулах полимера появляются вкрапления равномерно распределенных капелек легкокипящей жидкости. Кажущаяся плотность получаемого пенопласта или детали из него регулируется степенью заполнения формы гранулами или содержанием низкокипящей жидкости в гранулах.

Для получения пенопластов с более равномерной структурой во всем объеме материала или детали гранулы подвергают предварительному вспениванию. Насыпная плотность предварительно вспененных гранул должна быть равна кажущейся плотности пенопласта. Предварительно вспененными гранулами полностью заполняется форма и проводится окончательное вспенивание. Так как степень окончательного вспенивания ограничивается объемом   формы, то   внутри   формы развивается давление 0,3…0,5 МН/м²

(3…5 кгс/см²). Формы должны быть достаточно прочными и жесткими и не должны раскрываться в процессе окончательного вспенивания.

4. Введение в композицию веществ (газообразователей или порофоров), разлагающихся при нагревании с выделением большого количества газообразных продуктов.

С помощью газообразователей получают пенопласты из термопластичных и термореактивных полимерных материалов. Газообразователи обычно растворяют в мономерах или полимер-мономерных пастах. Полученный компаунд заливают в форму и проводят его полимеризацию при температуре ниже температуры разложения газообразователя. После этого блок полимера, являющийся по форме миниатюрой будущей детали или изделия, извлекают из формы и нагревают до температуры выше температуры стеклования полимера и температуры разложения газообразователя. Под действием выделяющихся газов блок высокоэластичного полимера равномерно увеличивается во всех направлениях. В нужный момент заготовка охлаждается и процесс вспенивания прекращается. Такой способ изготовления изделий из пенопластов называется масштабным формованием.

Термореактивные полимеры смешивают с газообразователями на вальцах или в шнековых смесителях. При использовании вязких компонентов (эпоксидные смолы с отвердителями) применяют лопастные смесители. Пенопластовые полуфабрикаты получают, проводя окончательное вспенивание в замкнутых формах. Кажущаяся плотность готовых пенопластовых полуфабрикатов или деталей, как и в предыдущем способе, регулируется насыпной массой компаунда, засыпаемого в форму заданного объема.

Формы в процессе производства жестких пенопластов из термореактивных смол или из отверждающихся с помощью отвердителей полимеров сначала нагреваются до температуры перехода полуфабриката в вязкотекучее состояние и далее до температуры разложения газообразователя. После необходимой степени вспенивания нагревание продолжается до температуры отверждения смолы. Этот способ позволяет получать пенопласты с преимущественно закрытой структурой ячеек.

5. Совмещение компонентов, взаимодействующих между собой с выделением большого количества газообразных продуктов.

Этим способом получают пенополиуретаны, пенофенопласты, пенополивинилхлорид и др. Суть его состоит в том, что при смешивании компонентов некоторых заливочных компаундов, находящихся в вязкотекучем состоянии, или полимерных паст происходит выделение газообразных продуктов реакции (например СО₂, Н₂), вспенивающих массу. Процесс производства пенопластов из таких композиций может быть одно- и двухстадийным. Одностадийный способ предусматривает одновременное смешивание всех компонентов в смесителе и последующее вспенивание, которое начинается через 10 - 15 секунд после смешивания и длится 1 - 2 минуты. Длительность отверждения пены зависит от ее массы, химического состава, температуры и других факторов и может колебаться от нескольких часов до нескольких суток. Вспенивание и отверждение могут происходить при обычной и повышенной температуре.

При двухстадийном способе сначала изготавливают форполимер, а затем проводят вспенивание в результате взаимодействия компонентов композиции с некоторыми низкомолекулярными веществами, например с водой, и отверждение.

     6. Получение заготовок прессованием из композиций, наполненных растворимыми в воде веществами, которые далее вымываются.

При этом способе можно получить заготовки или детали из термопластов и реактопластов. Сначала тщательно смешивают порошкообразный полимер с порошком растворимого вещества. Затем полученную композицию спрессовывают в монолитный блок в пресс-формах, нагреваемых до температуры плавления полимера или отверждения смолы. Блок охлаждают до комнатной температуры и помещают в нагретую воду, которая вымывает находящиеся в полимере водорастворимые вещества. После этого блок поропласта высушивают.

7. Спекание неуплотненных порошкообразных или пористых заготовок, полученных из порошков прессованием в холодных формах.

Методом спекания пористых заготовок получают поропласты из полимеров, температура плавления которых выше температуры их деструкции (например из фторопласта-4). В этом случае порошкообразный полимер уплотняют в холодных формах в таблетки определенной конфигурации и плотности. Затем таблетки спекают в печах в пористые заготовки. Порошкообразные частицы полимера соединяются друг с другом в процессе спекания только в местах их контакта.

Рассмотрим подробнее полимеры, на основе которых изготавливают пенопласты, маркировку и свойства некоторых пенопластов.