ФЕНОПЛАСТЫ

ПЕРЕРАБОТКА ПРЕСС-МАСС

Переработку пресс-масс в изделия осуществляют в основном в пресс-формах из стали при определенных температуре и давле­нии. Существуют следующие способы переработки: прямое и лить­евое прессование, литье под давлением, экструзия. За последние годы все большее распространение получает переработка литьем под давлением. На рис. 3.32 схематически представлены техноло­гические^ стадии важнейших способов переработки [72, 80].

Прямое (компрессионное) прессование

Прямое прессование — наиболее старый способ изготовления изделий из фенольных пресс-материалов. 1£ще в период 1910--— 1930 гг. были созданы медленно замыкающиеся прессы с нижним давлением [81]. Разработки быстроотверждающихся пресс-масс и смол для производства изделий при низком давлении способ-

Ствовали созданию нового прессового оборудования и техники переработки.

При прессовании порцию холодного или предварительно подогретого пресс-порошка помещают в полость горячей открытой пресс-формы. Под действием давления и тепла пресс-порошок размягчается и заполняет полость пресс-формы. После отвержде­ния (поликонденсации фенольной смолы до состояния резита) пресс-форму размыкают и извлекают готовое изделие. Способ прямого прессования приемлем для всех типов фенольных пресс - масс.

Важнейшие параметры прессования — температура пресс - формы, продолжительность отврждения и давление. Известно, что с повышением температуры пресс-формы продолжительность от­верждения пресс-массы уменьшается. Однако температуру нельзя устанавливать произвольно [133]. Как правило, прессование проводят при 150—180 °С, а тонкостеннные изделия прессуют при температурах до 205 °С [76]. При более высоких температурах пресс-масса утрачивает текучесть, необходимую для заполнения пресс-формы.

Давление прессования зависит от текучести применяемых пресс-масс и формы изделия. Так, объемные изделия получают при более высоком давлении, чем плоские.

Фенольные пресс-порошки с большой текучестью можно пере­рабатывать при давлении менее 100 кгс/см2, тогда как для мало­текучих масс требуется давление 450 кгс/см2. Давление прессова­ния практически не влияет на механические свойства готовых изделий [82, 83].

Наиболее продолжительной стадией процесса прессования является отверждение. От Продолжительности отверждения зави­сят свойства пресс-изделий, в частности механическая прочность, электрические характеристики и т. д.

В работах [84, 85] приводятся эмпирические уравнения для определения оптимальных параметров прессования. В табл. 3.14 приведены параметры прессования пресс-масс на основе феноло - формальдегидных смол [86, 87]. ^Указанная в таблице продолжи­тельность отверждения соответствует условиям переработки без предварительного нагрева. При прессовании таблетированных пресс-масс, подогретых в поле токов высокой частоты, время отверждения может быть сокращено наполовину.

Пресс-формы обычно изготавливают из закаленной стали, внутреннюю поверхность пресс-формы хромируют. Пресс-формы в большинстве случаев имеют электрический обогрев. Прессы по принципу действия делятся на механические, гидромехани­
ческие и гидравлические. В работах [73, 74, 76, 88—94] описаны пресс-автоматы с разнообразными нагревательными, загрузоч­ными и разгрузочными устройствами, а в книге Шаафа и Хане - манна «Переработка пластмасс» и в работе [142] — основные неполадки, возникающие при прессовании, и способы их устра­нения.

Литьевое прессование

Таблетированный пресс-материал, предварительно подогретый в поле токов высокой частоты, помещают в промежуточную камеру (тигель) пресс-формы. Затем пуансоном пресс-массу выдавливают через один или несколько литниковых каналов в нагретую за­крытую оформляющую полость пресс-формы. Различают верх­нее (рис. 3.33) и нижнее (рис. 3.34) прессование, причем второй способ является наиболее эффективным [561. Для нижнего прессо­вания требуется гидравлический пресс, который кроме основного гидроцилиндра должен иметь литьевой гидроцилиндр в плите

1 — верхняя часть пресс-формы с литье­вым пуансоном; 2 — промежуточная ка­мера (тигель); 3 — литниковый канал; 4 — оформляющая полость пресс-формы;

5 — полуматрица; 6 — обойма.

Пресса. Литьевое прессование по сравнению с прямым прессова­нием обладает рядом преимуществ [95, 96], а именно:

При прохождении через узкие литниковые каналы пресс - масса равномерно прогревается и гомогенизируется, благодаря чему достигается равномерное отверждение пресс-изделия;

Внутренние напряжения в готовых изделиях незначительны; продолжительность отверждения значительно меньше, чем при прямом прессовании;

Легко изготавливать изделия сложной формы; благодаря тому что пресс-масса впрыскивается в закрытую форму, изделие получается с более точными размерами, чем при прямом прессовании;

Можно изготавливать изделия с металлической арматурой; легче отводятся летучие вещества при прессовании; электроизоляционные показатели пресс-изделий выше, чем изделий, полученных прямым прессованием; не нужна загрузочная камера;

Исключена возможность повреждения пресс-формы из-за вве­дения избыточной дозы материала;

Образующийся облой тоньше, чем при прямом прессовании. Наряду с преимуществами этот способ прессования имеет ряд недостатков:

Расход пресс-массы больше, чем при прямом прессовании из-за того, что часть пресс-массы остается в литниковых каналах и в тигле пресс-формы;

Механическая прочность изделий ниже, чем изделий, получен­ных прямым прессованием вследствие преимущественной ориен­тации наполнителей в одном направлении [97] (табл. 3.15).

Литьевое прессование применяется главным образом для изготовления небольших и средних по размерам изделий сложной формы [96]. Об изготовлении крупных изделий сообщается в ра­боте [97].

Давление впрыска при прессовании зависит от структуры пресс-массы, длины пути течения, температуры предварительного нагрева, поперечного сечения литникового канала и температуры пресс-формы. Как правило, давление составляет 1000— 2000 кгс/см2, в случае предварительного подогрева оно может быть значительно меньше 1000 кгс/см2. На рис. 3.35 приведена зависи­мость давления впрыска от температуры подогрева [78].

В работе [99] приведено эмпирическое уравнение для расчета необходимого усилия г замыкания пресс-формы (на основании распределения давлений в пресс-изделии). Тепловое равновесие при литьевом прессовании рассматривается в работе [100].

169

Литье под давлением

В последнее время изготовление изделий из реактопластов. литьем под давлением получает все большее распространение. Этим способом перерабатывают преимущественно пресс-матери­алы на основе полиэфирных, фенольных смол и аминопласты. Литье под давлением по сравнению с прямым и литьевым прессо­ванием имеет ряд преимуществ [80, 103—107, 136]:

Значительно сокращается продолжительность отверждения; не требуется вспомогательного оборудования (таблетирующих машин, установок для предварительного подогрева, дозирующих устройств);

Улучшаются санитарно-гигиенические условия производства; требуется очень небольшая окончательная обработка пресс- изделий, поскольку они, как правило, не имеют облоя; незначительный износ пресс-формы; ^

Впрыск в закрытую форму обеспечивает получение изделия со стабильными размерами;

Хорошая гомогенизация пресс-массы;

Равномерное отверждение пресс-изделий; толстостенные изде­лия не имеют усадочных раковин;

Продолжительность отверждения мало зависит от толщины стенок изделия;

Пластикацию и подготовку следующей дозы материала осуще­ствляют во время отверждения;

Заполнение пластицированной массой пресс-формы происходит без тепловых потерь;

Отлитые изделия в ряде случаев имеют улучшенные механи­ческие и электрические показатели по сравнению с изделиями* полученными прямым прессованием.

Главным преимуществом способа литья под давлением яв­ляется возможность автоматизации технологического про­цесса [102].

Среди недостатков следует отметить следующие: вследствие ориентации наполнителей пресс-изделие имеет в на­правлении течения и в поперечном ему направлении различную усадку й соответственно разные свойства;

Интенсивное выделение тепла за счет трения может повлечь за собой деструкцию смолы;

Исключено повторное использование литника.

^ При переработке литьем под давлением шнек литьевой машины из загрузочной воронки захватывает пресс-массу, пластицирует и перемещает ее в переднюю часть нагревательного цилиндра, где накапливается пластицированный материал. Под давлением материала шнек отходит в заднее положение, преодолевая подпор, создаваемый в инжекционном цилиндре. За счет осевого пере­мещения шнека в переднее положение масса впрыскивается в на­гретую пресс-форму (рис. 3.36) и там отверждается.

Литьевые машины, предназначенные для переработки реакто- пластов, различают по конструктивным признакам (рис. 3.37) [108]. На рисунке показаны лишь некоторые типы машин. В на­стоящей книге рассматриваются только одноцилиндровые литье­вые машины. Литьевые машины д^ея переработки реактопластов и термопластов в принципе различаются только конструктивным исполнением шнеков и пресс-форм. Кроме того, они различаются по способу обогрева. Так, машины для литья реактопластов имеют две или три раздельно регулируемые зойы нагрева. Точность регу­лировки должна быть намного выше, чем у машин для литья термопластов [109]. Теплоносителем для обогрева цилиндра и литьевого сопла служит масло или вода. Используется также электрический обогрев, однако жидкостный целесообразнее. Зона загрузки пресс-материала постоянно охлаждается. Длина шнека, как правило, короче, чем шнека в машинах для литья термо­пластов, и обычно равна 12—16 диаметрам шнека, а диаметр шнека современных машин составляет 22—80 мм. Высота профиля шнека равна 0,10—0,13 диаметра. Частота вращения шнека в зависимости от типа машины составляет 20—220 об/мин [70].

Сопло должно быть гладким и не иметь застойных зон. Усилие замыкания пресс-формы в больших современных машинах со­ставляет около 500 000 кгс, максимальный рабочий объем впрыска — 1500 см3. Создаваемое шнеком усилие обычно намного меньше. Иногда шнек даже слегка разгружают с тем, чтобы вы­деляющееся тепло трения при пластикации легче распределять [110]. Теплота, необходимая для пластикации пресс-массы, обра­зуется за счет трения шнека в цилиндре. Часть тепла выделяется в результате экзотермической реакции отверждения.

Температурный режим в цилиндре машины должен быть таким, чтобы не происходило преждевременного отверждения пресс-

Рис. 3.37, Классификация машин для литья под давлением по конструк­тивным признакам.

Массы [111]. При литье фенольных пресс-масс зона загрузки материала нагревается до 55—65, а сопло — до 85—95 °С [105]. В сопле температура массы вследствие трения повышается при­мерно на 30—50 °С и достигает 105—130 °С [112—114].

Значительное влияние на температуру пресс-массы оказывает динамический (скоростной) напор. Чем больше напор, тем выше температура пресс-массы. Величина динамического напора ^асто характеризуется давлением, расходуемым на его создание, которое колеблется от 10 до 150 кгс/см2. Современные машины снабжены устройствами для программного регулирования динамического (скоростного) напора [115], благодаря чему сокращается продол­жительность цикла и улучшается качество изделий. Давление впрыска должно быть достаточно высоким для получения плотных изделий, обычно оно составляет от 800 до 2500 кгс/см2.

При переработке фенольных пресс-материалов пресс-форма нагревается от 170 до 210 °С [113].

Пластикационная производительность шнековой литьевой ма­шины при переработке фенольного пресс-порошка со средней степенью уплотнения зависит от размеров шнека, динамического (скоростного) напора, коэффициента заполнения и числа оборотов шнека. В практических расчетах при коэффициенте сжатия, рав­ном 1, можно восйользоваться следующими формулами [112]:

Q^4An-Bp

Где (? — пластикационная производительность, м3/с; ¥ — коэффициент за­полнения; А — объем шага шнека, м3; п — число оборотов шнека, 1/с; В — кинематическая вязкость, м2/с; р — динамический (скоростной) напор* м; д. — диаметр шнека, м; к — высота профиля шнека, м; t — шаг резьбы шнека, м; I — ширина витка, м;мр — угол подъема винтовой линии шнека.

Из рис. 3.38 и 3.39 видно, что производительность увеличи­вается прямо пропорционально числу оборотов шнека, а с увели­чением динамического (скоростного) напора — уменьшается [108].

На рис. 3.40 приведена зависимость продолжительности отвер­ждения при литье под давлением и прямом прессовании от макси­мальной толщины стенки изделия [104].

Пресс-массы, перерабатываемые литьем под давлением, должны обладать определенными свойствами и удовлетворять определен­ным требованиям [104, 116—124]. Наибольшие трудности воз­никают при переработке пресс-масс, которые даже при превыше­нии максимально допустимых температур и продолжительности отверждения остаются пластичными и текучими. Сыпучие пресс- массы перерабатываются легче. Для несыпучих необходимы спе­циальные набивные устройства.

Пресс-материалы на начальной стадии переработки должны иметь очень низкую вязкость, сохраняющуюся в течение довольно продолжительного времени. На последней стадии переработки
вязкость должна быстро возрастать. Такое изменение вязкости необходимо для того, чтобы пресс-материал при впрыскивании в пресс-форму еще оставался достаточно текучим, мог быстро заполнять форму и затем быстро отверждаться. Время нахожде­ния перерабатываемого материала в цилиндре машины должно составлять не более 3—4 мин [122], а длительность впрыска — около 5 с [113, 125]. Для соблюдения этих параметров следует

Рис. 3.40* Зависимость продолжи­тельности отверждения фенольных (без предварительного подогрева) пресс-масс при прямом прессовании при 160 °С (1) и при литье под дав­лением (2) от максимальной тол­щины стенки изделия.

Правильно рассчитывать размеры литникового канала. Он должен быть по возможности широким и коротким. При расчете поль­зуются эмпирической зависимостью:

¥ ъУ±Ь0%

Где Р — площадь поперечного сечения литникового канала; V — объем изделия.

Сечение не должно быть уже 0,2—0,5 мм [104].

Таблица 3.16. Неполадки, возникающие в процессе литья реактопластов под давлением и меры их устранения

Меры их устранендя

Сильный износ пленки

Шнек выдавливает массу при пластикации

Медленный впрыск

Неравномерный поток пресс-массы

Подача пресс-массы слиш­ком мала

Пресс-масса слишком го­рячая

Пресс-масса слишком хо­лодная

Прилипание массы - к пресс-форме

Пресс-материал не шпри­цуется

Линия стыка на изделиях

Пригар

Уменьшить число оборотов шнека; повысить темпе­ратуру в цилиндре; проверить содержание мине - ральных компонентов в пресс-массе Уменьшить число оборотов шнека; уменьшить ди­намический (скоростной) напор; проверить со­держание смолы, тип и количество смазки в пресс - массе

Увеличить число оборотов шнека; увеличить ди­намический (скоростной) напор; увеличить да­вление впрыска; повысить температуру в ци­линдре; увеличить диаметр сопла. Увеличить се­чение литникового канала Увеличить динамический (скоростной) напор; уве­личить давление впрыска; понизить температуру в цилиндре; понизить температуру сопла; про­верить содержание смолы, тип и количество смазки в пресс-массе; применять более вязкий пресс-материал Применять гранулы необходимого размера; исполь­зовать набивное устройство; подобрать темпера­туру загрузочной зоны Уменьшить число оборотов шнека; уменьшить ди­намический (скоростной) напор; понизить темпе­ратуру сопла Увеличить число оборотов шнека; увеличить дина­мический (скоростной) напор; повысить темпера­туру в цилиндре Уменьшить давление впрйска; повысить темпера­туру в цилиндре; повысить температуру пресс - формы; уменьшить время выдержки под давле­нием; увеличить время отверждения; увеличить наклон пресс-формы для облегчения выемки из­делия. Пресс-форму отполировать или дополни­тельно обработать Увеличить динамический (скоростной) напор; уве­личить давление впрыска; повысить температуру к цилиндре; повысить или понизить температуру сопла; увеличить диаметр сопла; увеличить сече­ние литникового канала; расширить газоотводя­щие каналы; применять более мягкий материал; увеличить время выдержки под давлением; увели­чить дозу впрыска; пресс-форму отполировать или дополнительно обработать Уменьшить число оборотов шнека; уменьшить да­вление впрыска; повысить температуру в цилин­дре; понизить температуру пресс-формы; расши­рить газоотводящие каналы, применять более вяз­кий материал Уменьшить число оборотов шнека; увеличить сече­ние литникового канала; понизить температуру пресс-формы; расширить газоотводящие каналы

Меры их устранения

Пористые участки

Трещины на металличе­ской арматуре

Коробление изделия

Следы течения на изделии

Выщербленные участки на изделии

Следы выталкивателя на изделии

Масса отверждается в ци­линдре

Матовые участки

Изделие разрушается при извлечении из формы'

Понизить температуру в цилиндре; расширить га­зоотводящие каналы; применять более мягкий пресс-материал; проверить литниковую систему и конструкцию пресс-формы Уменьшить давление впрыска; поддерживать оди­наковую температуру в обеих половинах пресс - формы

Применять более вязкий материал; проверить лит­никовую систему и конструкцию пресс-формы; увеличить или уменьшить время отверждения; поддерживать одинаковую температуру в обеих половинах пресс-формы; проверить размеры га­зоотводящих каналов Увеличить давление впрыска; расширить газоотводя­щие каналы; проверить литниковую систему и кон­струкцию пресс-формы, увеличить время отвер­ждения; пресс-форму отполировать или допол­нительно обработать Увеличить давление впрыска; увеличить сечение литникового канала; увеличить время выдержки под давлением; уменьшить дозу впрыска, увели­чить время отверждения Уменьшить давление впрыска, уменьшить - время выдержки под давлением; уменьшить время отвер­ждения; увеличить наклон пресс-формы для об­легчения выемки изделия; пресс-форму отполиро­вать или дополнительно обработать Уменьшить число оборотов шнека; уменьшить дина­мический (скоростной) напор; понизить темпера­туру сопла; увеличить диаметр сопла Увеличить давление впрыска; расширить газоотво­дящие каналы; увеличить время выдержки под давлением; увеличить или уменьшить дозу впры­ска

Уменьшить время выдержки под давлением; умень­шить дозу впрыска; поддерживать одинаковую температуру в обеих половинах пресс-формы; пресс-форму отполировать или дополнительно обработать

Из сказанного выше следует, что впрыскивать хможно только мягкие пресс-массы. Однако проведенные исследования свиде­тельствуют о возможности переработки более твердых пресс-масс на специальных машинах, причем в этом случае удается еще больше сократить продолжительность отверждения [101, 103^ 120]. Об изготовлении пресс-изделий с небольшой толщиной сте­нок при длинном пути течения сообщается в работе [126].

Следует отметить, что пресс-изделия, получаемые литьем под давлением, имеют лучшие или, по меньшей мере, такие же свой­ства, как и свойства пресс-изделий, изготовленных прямым прес-

Сованием. Однако их свойства нередко сильно различаются в на­правлении течения и в поперечном направлении (в частности, прочность при изгибе, ударная вязкость, удельное поверхностное электрическое сопротивление, водопоглощение). Г

Крупногабаритные изделия из фенольных пресс-порошков можно получить интрузионным формованием—способом, применя­емым для переработки термопластов [127]. При этом отношение длины пути течения к толщине стенки может достигать 50 : 1. Масса изделий, полученных интрузионным формованием, может в 45 раз превосходить массу изделий, изготовляемых литьем под давлением.

В табл. 3.16 перечислены неполадки, возникающие в процессе' литья под давлением реактопластов [112, 143], и методы их устра­нения.

Экструзия

Экструзия предназначена для изготовления профильных изде­лий из фенольных пресс-материалов любой длины. Нагреваемая пресс-форма открыта с обоих концов, а пуансон обычно остается холодным. В процессе экструзии профиль медленно выдавли­вается из формы и отверждается. Схема экструдера показана на рис. 3.41 [43].

Вследствие незначительной рабочей скорости на экструдерах устанавливаются многогнездные формы (до 8). Типичный профиль

Диаметром 50 мм со стенками толщиной 3 мм выходит из формы со скоростью от 150 до 250 мм/мин [128].

Для экструзионного прессования особенно подходят пресс- материалы, быстро отверждающиеся при нагревании. Такие пресс - массы быстро переходят в состояние резита. Тепло, выделяемое во время реакции, обеспечивает необходимый прогрев по всему сечению профиля изделия. Профильные изделия, выходящие из

Пресс-формы экструдера, еще могут легко деформироваться. При охлаждении изделия необходимо следить за тем, чтобы оно не изгибалось и не искривлялось.

Области ;применения профильных изделий достаточно об­ширны. Их используют" в электротехнической промышленности, в светотехнике в качестве несущих трубок в потолочных светиль­никах, стоек для торшеров и настольных ламп, медицинских ламп, в текстильной промышленности в качестве корпусов валков и шпулей для пряжи. Рабочая температура профильных изделий из фенопластов составляет около 100 °С. В настоящее время про­фильные изделия из термопластов во многих отраслях вытесняют или уже вытеснили профильные изделия из реактопластов.

Удаление облоя р окончательная обработка пресс-изделий

На пресс-изделиях из реактопластов, изготовленных прямым ш литьевым прессованием, а также литьем под давлением, в боль­шинстве случаев имеется облой. Удаление облоя с изделий ана­логично обработке металлов резанием. Штейн [130] '"подробно описывает способы удаления облоя, основные из которых следу­ющие:

Обработка в специальных барабанах (галтовка); струйная обработка зернистым материалом различного проис­хождения (семечковыми плодами или гранулированным термо­пластичным материалом);

Шлифование (шлифование плоских поверхностей, контурное шлифование); фрезерование; обтачивание; ( сверление и зенкоВание; обработка ножевой головкой; обрубка (штамповка); удаление облоя вручную; нарезание резьбы.

Снятие облоя описано также в работах [131—134].

Пресс-изделия иногда подвергают дополнительной обработке, которая необходима для улучшения внешнего вида изделий, в ча­стности полированию.

При гальваническом покрытии изделий из фенопластов их поверхность необходимо химически активировать, предварительно удалив поверхностную пленку.

Термообработка применяется для ускорения процесса допол­нительной усадки или отверждения. В результате нагрева и по­следующего охлаждения изделия иногда коробятся и их необхо­димо выправлять в охлаждаемых шаблонах.