Разделительная штамповка. 
Технология переработки полимеров: изделия из полимерных листов и пленок. 
Часть 1

Материалы, перерабатываемые разделительной штамповкой

Разделительная штамповка применяется для получения плоских изделий из листовых и пленочных полимеров. При этом могут использоваться как термопластичные, так и термореактивные пластмассы.

Термореактивными пластическими массами называют материалы, переходящие на холоде или при нагревании (под давлением или без него) в неплавкое и нерастворимое состояние. К термореактивным относятся пластические массы, полученные на основе поли конденсационных смол и некоторых других полимеров. Отверждение полимера происходит на стадии изготовления из него листового материала. Поэтому при разделительной штамповке изделий из термореактивных материалов химических изменений в полимере не происходит, и он не может менять свое агрегатное состояние. При разделительной штамповке протекают лишь чисто механические процессы.

Как уже говорилось, в качестве сырья при разделительной штамповке часто используются листовые материалы, изготовленные на основе термореактивных смол. Большинство из этих листов относятся к слоистым материалам.

При производстве листовых слоистых материалов применяются разнообразные наполнители [31], к числу которых относятся ткани, бумаги, маты, холсты, сетки, пленки, ленты, шпон, фольга и др.

Ткани — это полотна, полученные из нитей основы (продольных) и утка (поперечных) на ткацком станке. В зависимости от характера чередования нитей различают полотняное, саржевое, сатиновое переплетение; используют в ряде случаев также трикотажные и многослойные ткани. Помимо схемы плетения ткани характеризуются плотностью, числом нитей на 1 см по основе и утку, толщиной и впитывающей способностью. Ткани изготавливаются в основном из крученых нитей, однако для изготовления тканей используются также жгуты (стеклянные, углеродные). Такие ткани обладают хорошей формуемостыо и позволяют регулировать анизотропию свойств в изделиях.

В производстве различных видов листов используют ткани из хлопковых, льняных, асбестовых, базальтовых, углеродных, стеклянных волокон, а также ткани на основе синтетических, в том числе высокопрочных арамидных волокон.

На свойства получаемых слоистых пластиков оказывают влияние прочность ткани, ее толщина и проницаемость для раствора (или расплава) связующего. Поэтому в производстве текстолита и стеклотекстолита чаще всего применяют ткани полотняного и сатинового переплетения. Увеличение плотности тканей ведет к повышению прочности при растяжении, но одновременно снижается прочность при межслоевом сдвиге.

Основными потребителями тканых наполнителей для изготовления листов являются производства текстолита и стеклотекстолита.

Бумаги, применяемые в качестве наполнителя, производятся главным образом из различных видов сульфатной целлюлозы; кроме того, для изготовления бумаги могут использоваться сульфитная и хлопковая целлюлоза, а также древесная масса. Бумаги отличаются по толщине, прочности, впитывающей способности и массе 1 м². Основные области применения бумаги в качестве наполнителя — производство декоративных бумажно-слоистых пластиков (ДБСП) и производство электротехнического гетинакса.

В производстве ДБСП используются два вида бумаг — для внутренних слоев (крафт-бумага) и для наружных декоративных слоев (бумага-оверлей). Они существенно различаются как по требованиям к исходному сырью, так и по предъявляемым к ним требованиям. В производстве электротехнического гетинакса также используют пропиточную бумагу, что связано с технологией получения листового материала.

В последние годы в связи с повышением требований к теплостойкости электроизоляционных изделий появились новые сорта бумаг на базе синтетических волокон (типа «номекс»).

Наряду с тканями и бумагой в качестве наполнителей при производстве листов находят применение другие виды тканых и нетканых материалов из нитей и волокон. Для увеличения толщины пакета наполнителей находят применение сетки — редкие ткани различного переплетения, в том числе трикотажные и жгутовые. Однако наибольшее распространение для этих целей, когда не предъявляются высокие требования к механическим характеристикам, находят маты и холсты из стеклянных, базальтовых, асбестовых и других видов волокон.

Холст представляет собой полотно из дезориентированных рубленых стеклянных волокон, связанных друг с другом полимерным связующим. Используются также иглопробивные холсты, которые получают при пробивке иглами волокнистого холста; за счет возвратно-поступательного движения игл происходит псрспутывание волокон, фиксирующее волокнистую структуру, которая потом закрепляется с помощью связующего.

В качестве слоистых наполнителей при производстве некоторых видов слоистых пластиков находят применение также различные материалы в виде лент. Ленты бывают как монолитные (стеклолента), так и полученные путем ткачества из стеклянных, базальтовых, углеродных и синтетических волокон.

Стеклянные ленты изготавливаются из специальных марок стекла и могут иметь толщину от 0,0076 мм при ширине до 400−500 мм. Кроме стеклянных лент, в последнее время находят применение ленты на основе графи та и бора. Значительно более широкое применение находят тканые ленты, в первую очередь из углеродных и стеклянных волокон.

В качестве наполнителя могут также использоваться металлические пленки (фольга); однако они, как правило, применяются в целях получения специфических свойств, например, электропроводности. Наполненные металлической фольгой слоистые пластики используются как проводящие компоненты печатных плат в электротехнике и электронике, для экранирования электромагнитного излучения и т. д.

Слоистые пластики выпускаются в форме листов (толщиной 0,5−2 мм), пластин (толщиной 2−8 мм) и плит (толщиной более 8 мм). Процесс производства слоистых пластиков состоит из следующих стадий: подготовка сырья; пропитка и сушка наполнителя: сборка и прессование пакетов; обрезка кромок.

Механические свойства некоторых видов материалов [31] на основе термореактивных смол представлены в табл. 4.1, а материалов на основе термопластичных полимеров — в табл. 4.2.

Подготовка сырья заключается в приготовлении растворов связующего определенной концентрации, а также в подготовке рулонов с наполнителем (бумагой, тканями и так далее). Различные виды обработки ткани, применяемые в текстильной промышленности, отрицательно влияют на свойства готовых листовых материалов. Например, отбеливание снижает прочность, шлихтовка затрудняет пропитку тканей связующим, что также снижает прочность готовых листов. Поэтому предпочтительно использовать необработанные ткани, а шлихтованные ткани подвергать расшлихтовке, т. е. удалять из них клеящие вещества.

При использовании стеклонаполнителя его также обрабатывают химическим или термическим способом. Дело в том, что в процессе изготовления стеклянные волокна покрывают замасливателями для защиты от атмосферной влаги и механического разрушения. Замасливатель наносится в виде различных эмульсий. Изготовляют его на минеральных маслах или жирных кислотах с добавлением парафина или поливини;

Таблица 4.1. Механические свойства некоторых видов наполненных реактопластов.

В числителе указаны показатели для ненаполненных термопластов, в знаменателе — наполненных лового спирта. Если замасливатель не удалить, то он снижает физико-механические показатели готового материала. Для повышения адгезии связующего к стекловолокну поверхность последнего обрабатывают специальными веществами — аппретами.

Пропитка и сушка наполнителя осуществляется в пропиточно-сушильных агрегатах вертикального или горизонтального типов. Для пропитки тканей применяют обычно вертикальные машины, которые состоят из пропиточной ванны и сушильной шахты. Вспомогательными устройствами в этой машине являются тяговые приспособления и воздушно-вентиляционное устройство. Обычно применяют сдвоенные машины с одновременной пропиткой и сушкой двух полотнищ ткани. Раствор связующего заливают в ванну, которая снабжена обогревающей рубашкой. Изменение температуры раствора позволяет регулировать вязкость связующего. Циркуляцию связующего между ванной и напорной емкостью обеспечивает шестеренчатый насос. Наполнитель с рулонов подается в ванну и пропускается через пару направляющих валиков, погруженных в раствор связующего. Пройдя слой пропиточного раствора, наполнитель через систему отжимных роликов, регулирующих содержание связующего, поступает в сушильную камеру. Для равномерного высушивания пропитанного наполнителя температура в сушильной камере повышается ступенчато (снизу вверх). Обычно в камере создается три зоны, в каждой из которых поддерживается свой температурный режим.

Скорость движения наполнителя регулируется ступенчато с помощью коробки скоростей. Пропитка стеклонаполнителей осуществляется без отжимной системы, а сушка их происходит при меньших скоростях движения. Контроль процесса пропитки осуществляется по содержанию в наполнителе летучих веществ. Летучие вещества в процессе сушки улавливаются и поступают на рекуперацию, что дает возможность повторно использовать ценное сырье.

При выходе с пропиточной машины наполнитель огибает верхние валки, проходит натяжные валки и либо наматывается в рулоны, либо разрезается ножом на листы нужных размеров.

На специальных столах пропитанный наполнитель укладывается в пакеты. Число листов в пакете определяет толщину готовой плиты. Набор пакетов производится по наборным коэффициентам. Последний равен числу слоев наполнителя для образования 1 мм толщины отпрессованного листа. Значение наборного коэффициента зависит от типа наполнителя и содержания связующего.

Пакеты укладываются с помощью подъемного стола и толкателя на плиты этажного гидравлического пресса, нагретые до температуры не выше 40 °C. После окончания загрузки включают обогрев плит пресса и смыкают их, создавая давление на пакеты 7−10 МПа. При нагревании связующее, которым пропитан наполнитель, размягчается, склеивает отдельные слои между собой и в конце процесса прессования отверждается. Схема этажного гидравлического пресса-автомата 5 представлена на рис. 4.1.

Сформированный пакет полается к загрузочной этажерке 4. Этажерка и пресс имеют одинаковое количество этажей. Па каждом из этажей смонтировано, но два консольных рольганга 3. Этажерка с помощью гидравлического подъемника перемещается по вертикали.

Загрузка пакетов в этажерку происходит так. Этажерку опускают в приямок с таким расчетом, чтобы верхние консольные рольганги расположились на одном уровне с подающим транспортером. После этого подающий транспортер передаст пакет на консольные рольганги. Передняя часть пакета, дойдя до конца этажерки, фиксируется установленным там датчиком, который подает команду на подъем этажерки на один шаг. В этом порядке загружаются пакетами все ее этажи. К этому моменту рабочая плита пресса находится в нижнем положении и все нагревательные плиты 6 пресса свободны от готовых изделий, полученных при предыдущей запрессовке. Загрузка пакетов на все этажи пресса осуществляется толкателем 1, который перемещается по направляющим балкам 2, одновременно. Ширина толкателя меньше, чем просвет между консольными рольгангами этажерки, поэтому он может свободно передвигаться между этими рольгангами. При своем поступательном движении толкатель упирается в торцы пакетов и вдвигает их в пресс, после чего возвращается в исходное положение.

Плиты пресса смыкаются, и происходит процесс формования. По окончании прессования плиты пресса размыкаются и готовые листы или плиты вместе с пресспрокладками, между которыми они находятся, выгружаются разгрузчиком 8. Пресспрокладки с одной стороны имеют специальные выступы, за которые зацепляются захваты разгрузчика. Затем разгрузчик отходит вправо, одновременно вытягивает из пресса все пакеты и передает их на консольные рольганги разгрузочной этажерки 7, которая по конструкции аналогична этажерке 4. Во время разгрузки этажерка опускается на один шаг, при этом пакет переходит на разгрузочный транспортер. После чего специальное устройство освобождает готовую плиту или лист от пресс-прокладок, которые по транспортерам возвращаются к позиции подготовки пакетов.

Рис. 4.1. Схема этажного пресса с загрузочной и разгрузочной этажерками. Пояснения в тексте.

Этажные прессы могут оснащаться и поворотными этажерками. Схема организации обслуживания такого пресса, предназначенного для производства слоистых пластиков, показана на рис. 4.2. Пропитанная связующим и нарезанная на листы нужного формата бумага, сложенная в стопы, подается в зону обслуживания пресса на конвейерных тележках /. Набор пакетов производится на комплектующих столах-тележках 3. Крафт-бумага и пресс-прокладки, подаваемые на тележках 2, укладываются кранами 4, на которых подвешены траверсы с вакуумными присосками. Пресс-прокладки поступают с пунктов механической очистки 5. Декоративная бумага и покровный защитный слой (оверлей) могут укладываться как кранами, аналогичными крану 4, так и вручную, как это показано на схеме.

После того как на столах-тележках 3 набрано по одному пакету, предназначенному для укладки в пресс, каждая из тележек подходит к соответствующему подъемнику 6. Пакет с помощью толкателя передается на подъемник, который загружает пакет в поворотную этажерку 7. Для ускорения обслуживания пресса 9 загрузка пакетов в этажерку одновременно происходит слева и справа. Причем система автоматики, управляющая комплексом, настроена гак, чтобы один из подъемников подавал пакеты только на четные этажи этажерки, а второй — только на нечетные. На схеме.

Рис. 4.2. Схема механизации загрузки и разгрузки этажного пресса при производстве слоистых пластиков. Пояснения в тексте этажерка 7 показана в положении, когда при помощи толкателя 8 набранные пакеты одновременно подаются на этажи пресса.

Разгрузку пресса производят с небольшим опережением по отношению к загрузке. На разгрузчике 11 имеются подпружиненные зацепы, которые входят в специальные окна пресс-прокладок и вытаскивают пакеты с готовым слоистым пластиком из пресса на разгрузочную этажерку 10. Затем этажерка поворачивается на 90° и гидравлические столы-подъемники 13 передают пакеты с готовыми листами на разгрузочные столы-тележки 3. Пресс-прокладки с готовых листов снимаются с помощью крана 4. Готовые листы пластика складываются на конвейерную тележку 1, а пресс-прокладки поступают на пункт механической очистки 5.

Управление агрегатом ведется с единого пульта управления 12, поднятого на высокой площадке для лучшего обзора оператором всех основных механизмов.

При производстве тонколистовых слоистых пластиков в промышленности часто используются ленточные прессы. Принципиальная схема ленточного пресса [32) представлена на рис. 4.3. Пресс вертикальный, колонного типа с верхним расположением рабочих цилиндров. Станина пресса состоит из верхней и нижней траверс, соединенных между собой колоннами. Возврат подвижной плиты в верхнее положение обеспечивается либо ретурными цилиндрами, либо, как это показано на схеме, при помощи гидроцилиндров поршневого типа. Верхняя плита поднимается, но направляющим консольного типа, закрепленным на верхней траверсе.

Рис. 4.3. Схема ленточного гидравлического пресса: 1 — поршень рабочего гидроцилиндра; 2 — рабочий цилиндр; 3 — верхняя непрерывная стальная лента; 4, 14 — натяжные устройства; 5 — верхняя траверса; 6 — колонна; 7 — подвижная плита; 8, 12 — теплоизоляция; 8,11 — обогреваемые плиты; 10 — обрабатываемый материал; /3 —нижняя траверса; /5 —нижняя непрерывная стальная лента Пресс оборудован четырехзонными греющими плитами. Для перемещения материала из одной зоны в другую пресс оборудован двумя непрерывными стальными лентами, перемещающимися синхронно. Стальные ленты выполняют одновременно роль пресс-форм. С их помощью на формуемое изделие может наноситься то или иное тиснение. По мере истирания рабочих поверхностей лент их либо восстанавливают, либо заменяют.

Обрезка кромок листов толщиной до 6 мм производится гильотинными ножницами, а более толстых (плит) — на фрезерных станках.

Описанная выше технологическая схема производства слоистых листов с использованием этажного пресса представлена на рис. 4.4.

Для изготовления плоских листов из стеклопластика сравнительно широко применяется так называемый метод протяжки. Он заключается в том, что стскловолокнистый наполнитель, пропитанный связующим, протягивается через узкое прямоугольное отверстие. При этом отжимается избыток связующего, происходит уплотнение наполнителя и формование листа. Движение формуемого профиля осуществляется при помощи тянущих валков. Отверждение происходит в термокамере. Схема установки для протяжки плоских листов из стеклопластика показана на рис. 4.5.

Традиционными методами не удастся получать листы и пленки из некоторых фторопластов. Например, переработку суспензионного политетрафторэтилена осуществляют, получая из порошкообразного полимера заготовки и спекая их при высоких температурах (360−385 °С). Заготовки формуют на гидравлических прессах. Основное внимание при прессовании обращается на равномерное распределение порошка в форме.

Процесс спекания можно проводить не только в самой форме, но и вне ее. В этом случае вынутую из формы заготовку помещают в печь. При этом очень важен равномерный обогрев полимерного материала. Нагрев заготовки необходимо осуществить ступенчато: примерно при 340 °C происходит плавление кристаллов,.

Рис. 4.4. Технологическая схема производства слоистых листовых изделий: 1 — напорный бак для связующего: 2 — напорный бак для растворителя: 3 — рулоны исходного наполнителя; 4 — пропиточная ванна: 5 — сушильная шахта; 6, 8, 9 — направляющие валки; 7 — отжимные валки; 10 — рулон пропитанного наполнителя; 11 — стол для набора пакетов; 12 — этажный пресс; 13 — станок для обрезки кромок.

Рис. 4.5. Схема получения плоских листов из стеклопластика: 1 — рулон стекловолокнистого наполнителя; 2 — пропиточная ванна; 3 — отжимные валки; 4 — термокамера; 5 — нож для резки листов затем — оплавление отдельных частиц полимера. Продолжительность спекания и последующего охлаждения определяется массой заготовки. От температурновременного режима во многом зависят физико-механические свойства получаемого из политетрафторэтилена изделия. Из крупных заготовок-блоков после спекания строгают пленки и листы.

Кроме технологии, предусматривающей прессование и спекание заготовок, используют экструзию на поршневых машинах. Для переработки в листы политетрафторэтилена этим методом применяют порошки, обладающие хорошей сыпучестью, получаемые, например, предварительным спеканием исходного порошка с последующим измельчением.

Основные свойства различных марок фторопластов приведены в табл. 4.3.