Тема 4.Прессование изделий из термореактивных материалов

Процесс прессования изделий из реактопластов основан на способности связующего при нагревании в матрице пресс-формы переходить в вязко-текучее состояние, течь под давлением пуансона, заполняя оформляющие гнезда с последующим отверждением для фиксирования формы изделия.

Под действием температуры в связующем пресс-материал начинается химическая реакция отверждения. Например, пресс-материалы, содержащие резольные смолы, при нагревании образуют неплавкие и нерастворимые продукты трехмерной структуры (резиты), благодаря наличию в их макромолекулах реакционноспособных метильных групп: образование трехмерных химических связей происходит через атом кислорода.

При прессовании не нагретый или предварительно нагретый материал загружается в нагретую до необходимой температуры формующую полость (матрицу) пресс-формы. Пресс-форма состоит из матрицы и пуансона (рис.1). Конфигурация пресс-формы соответствует форме изделия. Пресс-форма имеет нагревающие элементы и выталкиватели (рис.4).

 

Рис 5. Схема изготовления изделий методом прямого прессования

 

Литьевое прессование

 

Рис. 6. Пресс-формы для литьевого прессования с верхней (а) и нижней (б)

загрузочными камерами:

1 - нижняя плита; 2 - матрица; 3 - воздушные каналы; 4 - изделия,

5 - верхняя плита; 6 - литниковые каналы; 7 - пресс-остаток;

8 - камера; 9 - шток; 10 - стержень толкателя; 11- выталкиватель

 

Материал в виде таблеток, порошка после предварительного нагрева подается в загрузочную камеру, нагретую до необходимой температуры, где дополнительно нагревается при опущенном штоке. Затем штоком через литниковые каналы под давлением 80¸120 МПа передавливается в оформ­ляющую полость формы.

Вследствие того, что материал течет через нагретые литниковые каналы и вследствие выделения теплоты от вязкого течения температура материала повышается. При наличии скорости сдвига в литниковых каналах материал тщательно перемешивается и становится более равномерно прогретым. При поступлении нагретого материала в форму, где давление равно атмосферному, происходит интенсивное выделение газообразных продуктов и удаление их через воздушные каналы. После заполнения формующей полости пресс-материал затекает в них, а так как каналы имеют небольшую глубину, материал в них быстро отверждается и они перекрываются. В результате создается замкнутый объем и давление в форме растет до 25-30 МПа, что обеспечивает уплотнение материала.

Стадии прессования

1.Подготовка сырья

1.1Дозировка

1.2Таблетирование

1.3Предварительный нагрев

-предварительный нагрев между горячими металлическими поверхностями;

-предварительный нагрев в печи;

-предварительный нагрев в инфракрасных лучах;

-высокочастотный предварительный нагрев;

-микроволновый предварительный нагрев;

2. Формование

-смыкание пресс-формы,

-подпрессовка,

-выдержка под давлением для отверждения,

-размыкание пресс-формы,

-извлечение изделия,

- очистка пресс-формы

3 Обработка изделий

-термическая обработка

- механическая обработка изделий

4. Переработка отходов

 

Подготовка сырья к прессованию

 

Начинается с разборки по партиям, имеющим близкие технологиче­ские показатели. Это необходимо для сокращения потерь времени и сырья при перестройке технологического процесса, связанного с переходом на другую партию сырья.

Если сырье влажное - сушат при температурах: 100°С для новолачных пресс-порошков, 80°С - резольных и волокнита. Высушенное сырье хранят в герметичной таре.

 

Предварительный нагрев материала

 

Рис 7.Высокачастотный нагрев

При прессовании реактопластов вследствие плохой теплопроводно­сти материала происходит неравномерный прогрев, создается неоднород­ная степень ориентации макромолекул и в изделии возникают остаточные напряжения, которые со временем могут вызвать образование микротре­щин и разрушение изделия. Отверждение нагретого материала происходит равномерно по всему объему, сокращается число подпрессовок и время выдержки под давлением. Преднагрев улучшает текучесть материала, по­этому можно проводить прессование вдвое меньшим давлением, что снизит износ пресс-форм.

Преднагрев можно проводить в сушильных шкафах, в высокочастот­ных установках и с помощью инфракрасных нагревателей (лампы, трубча­тые элементы или нихромовые спирали).

Нагревание в сушильных шкафах происходит за счет конвективной теплопередачи от нагретого воздуха, поэтому процесс длителен и не обес­печивает равномерности температуры. Применяется для нагрева полиме­ров с высокими диэлектрическими характеристиками, когда невозможно использовать высокочастотный нагрев, а также прозрачных листов, когда инфракрасный нагрев неэффективен.

Высокочастотный нагрев осуществляется следующим образом.

Верхняя пластина 1 (рис. 7) закрепляется на корпус 2, с помощью высокочастотных изоляторов, и к ней подводится ток напряжением 8-10 кВ с частотой 40 и 80 МГц. Нагреваемый материал (чаще в виде таблеток) помещают в электрическое поле на заземленную пластину 5, расположенную на расстоянии Н от другой пластины. При подключении пластин к генератору высокой частоты между ними создается электрическое поле с напряженностью Е 200-250 кВ/м (если больше, то может быть пробой)

,

где U – подводимое напряжение.

Способность полимеров к высокочастотному нагреву зависит от их строения. Неполярные полимеры (ПЭ, ПС, фторопласт) практически в электрическом поле не нагреваются и могут применяться для изготовления высокочастотных изоляторов. Полимеры, имеющие полярное строение (ПВХ, ФФС и др.), очень быстро нагреваются. Склонность полимеров к нагреву ТВЧ можно определить по значению фактора диэлектрических потерь e×tg d, где e - диэлектрическая проницаемость пресс-материала; tg d -тангенс угла диэлектрических потерь. Чем больше e×tg d, тем больше электрической энергии переходит в тепловую. Мощность генератора, преобразуемая в теплоту, определяется Р=5,5-10 -e×tg d×f×E, где f - частота переменного тока.

При использовании высокочастотных установок достаточной мощ­ности время нагревания 20-30 с, а температура материала после прогрева 120-130°С. Несмотря на высокие тепловые потери в окружающую среду (коэффициент потерь 0,4-0,5), применение высокочастотного нагрева эко­номически выгодно, так как сокращается время отверждения (~20-30%), давление формования (~ вдвое).

Применяют генераторы, работающие при частоте 15-50 МГц и имеющие рабочую поверхность конденсатора 300x300 мм.

При применении инфракрасного нагрева интенсивность излучения зависит, главным образом, от температуры излучателя, а количество поглощающей энергии - от степени черноты нагреваемого тела, а также от расстояния до излучателя.

Инфракрасный нагрев не эффективен при нагревании прозрачных полимеров (ММА, ПЭТФ), так как большая часть лучистой энергии рас­сеивается в окружающую среду.

Если пресс оборудован шнековым пластикатором, то преднагрев не проводится.

1.4. Загрузка пресс-материала в форму

Таблетированные материалы чаще всего дозируются по числу таблеток.

Для порошкообразных наполнителей применяется объемное или ве­совое (массовое) дозирование, для нетаблетированных волокнистых - весовое.

Объемное дозирование производится с помощью мерного сосуда или бункера. Рационально объемное дозирование использовать только для загрузки многогнездных форм. Недостаток заключается в том, что партии материала отличаются по насыпной плотности и поэтому необходимо часто изменять мерный объем, что на практике довольно сложно.

При массовом дозировании, если использовать электронные дозаторы, то обеспечивается высокая точность навески и хорошее качество изделия.

Если в изделие устанавливается арматура (резьба, болты и др.), то ее устанавливают до загрузки пресс-материала, и лишь в редких случаях впрессовывают в уже сформованное изделие сразу после прессования или в не полностью отвержденное изделие. Арматуру крупных размеров перед установкой в форму нагревают.

 

1.5. Смыкание пресс-формы

 

Процесс прессования изделия осуществляется в результате опуска­ния пуансона, закрепленного на подвижной плите пресса, и создания необходимого удельного давления. Удельным давлением прессования называют эффективное усилие пресса, приходящееся на единицу площади прессования. Слишком быстрое смыкание формы может привести к выбросу материала и резко увеличивает износ формы, поэтому перед соприкосновением пуансона и матрицы необходимо замедлить ход пуансона. В некоторых случаях задерживают подачу высокого давления и после соприкосновения пуансона с матрицей дают выдержку при небольшом давлении. К этому приему прибегают при повышенной текучести материала, при формовании сложных по конструкции изделий с тонкими стенками. Задержка давления позволяет снизить текучесть, за счет частичного от­верждения, улучшить условия заполнения формы и условия прессования.

 

1.6. Подпрессовка, выдержка под давлением, отверждение

 

В целях удаления летучих из полости пресс-формы используют специальный прием - подпрессовку. Когда материал нагреется, начинается процесс поликонденсации, сопровождающийся выделением летучих продуктов. Кроме того, удаляется влага, находящаяся в пресс-материале.

Для удаления образовавшихся летучих пресс-форму размыкают, поднимая на высоту 10-20 мм на 3-5 с для быстро отверждающихся и 5-10 с для медленно отверждающихся пресс-материалов. При этом из на­гретого, но еще вязко- пластичного материала легко удаляются летучие.

Если материал был предварительно нагрет, то подпрессовку проводят сразу же после смыкания пресс-формы, так как процесс отверждения протекает очень интенсивно.

Если изделие имеет большую толщину, а преднагрев осуществлялся до невысокой температуры, то подпрессовку проводят через 30-60 с после смыкания пресс-формы.

Подпрессовка для быстро отверждающихся материалов проводится не позднее, чем через 10 с после полного смыкания формы, а для медленно отверждающихся - через 10-30 с. Число подпрессовок обычно не превышает 3-4. Если подпрессовка проводится после частичного отверждения материала, то выходящие из объема изделия газообразные продукты разрывают отвержденный поверхностный слой, нарушая монолитность поверхности изделия.

Без подпрессовок, как правило, формуются небольшие изделия с ме­таллической арматурой или знаками. С ростом числа подпрессовок сни­жают продолжительность отверждения на 30-40%. При прессовании изде­лий на основе эпоксидных и полиэфирных смол подпрессовки не приме­няют, так как при отверждении летучие не образуются.

Выдержка производится в сомкнутой пресс-форме под давлением. При этом завершается процесс отверждения с формированием трехмерной структуры. На стадии отверждения давление необходимо лишь для исклю­чения раскрытия формы под действием выделяющихся продуктов и может быть снижено до 8-9 МПа. Однако из-за конструктивных особенностей гидропресса давление сохраняется на уровне давления в момент смыкания формы. После отверждения изделие извлекается из формы без охлаждения.

1.7. Промежуточный контроль качества изделия

Контроль качества изделия проводится на рабочем месте непосред­ственно после извлечения его из формы. Отбраковываются изделия недо-прессованные, имеющие трещины, вздутия, разводы, и изделия с толстым гратом. При наличии требований по однотонности изделий, количеству включений и размерной точности изделий проводится проверка и по этим показателям.

1.8. Термическая обработка изделия

Термическая обработка изделий, полученных методом прессования, заключается в их отжиге при повышенных температурах с целью уменьшения уровня внутренних напряжений. Причиной появления внутренних напряжений в основном является неравномерность отверждения материала в элементах изделия, имеющих различную толщину. Внутренние напряжения приводят к растрескиванию и короблению изделий. Отжиг осуществляют путем нагревания изделия на воздухе или в масле до 120-150°С с последующим медленным охлаждением.

1.9. Механическая обработка изделия

Проводится с целью удаления механическим путем излишков мате­риала (облоя, грата), образующихся из-за затекания расплава в плоскости разъема форм; с целью обеспечения требуемой конфигурации изделия, из­готовления резьбы или доводки размеров изделия, если формование меха­нически сложно или экономически невыгодно, а также для отделки изде­лий (шлифовка, полировка и т.д).

1.10. Переработка отходов прессования

Заключается в сборе и измельчении бракованных изделий, удаленного облоя (грата), стружки, образующейся при механической обработке. Отходы пресс-материалов сортируются по маркам материала и иногда по цвету. Измельчение отходов проводят последовательно на дробилках но­жевого и ударного типов до порошкообразного состояния. Полученные порошкообразные отходы могут быть добавлены в количестве 15-20% к первичному сырью и использованы для получения неответственных изде­лий бытового назначения.

 

Конструкции пресса

 

Рис. 8. Автоматический пресс с объемным дозированием: 1 — нижняя плита; 2 — верхняя плита; 3 — кожух концевого выключателя; 4— устройство управления; 5 — привод; 6 — гидравлический плунжер

 

Основными технологическими параметрами компрессионного (прямого) прессования являются температура прессования, давление прессования и время выдержки под давлением. Технологические параметры зависят от технологических свойств перерабатываемого пресс-материала, тесно взаимосвязаны между собой и их выбирают по справочным данным с учетом размеров и сложности конфигурации изделия (табл. 1).

Выбор температуры пресс-формы зависит от скорости отверждения пресс-материала, его текучести, содержания влаги и летучих, конфигурации и размеров изделия.

Температуру прессования обычно устанавливают опытным путем в зависимости от его технологических свойств для перевода связующего в вязко-текучее состояние и последующее достаточно быстрое отверждение изделия.

Нижние пределы рекомендуемых температурных интервалов следует применять для пресс-материалов с высокой скоростью отверждения, малой текучестью и большом времени смыкания формы, большим содержанием влаги и летучих, крупногабаритных толстостенных изделий.

С увеличением температуры прессования снижается необходимое удельное давление, сокращается время выдержки под давлением, улучшаются физико-механические свойства изделий. Ограничения на повышение температуры связаны с ухудшением текучести пресс-материала и высокой экзотермичностью процесса отверждения, что способствует повышению температуры материала, особенно при формовании толстостенных крупногабаритных изделий. Однако при очень высокой температуре возможно появление вздутий, трещин на поверхности изделия из-за слишком быстрого отверждения поверхностных слоев и невозможностью удаления газообразных изделий, находящихся внутри изделия.

При малой толщине стенки изделия рекомендуется сочетать высокую температуру пресс-формы с высоким давлением прессования; при большой толщине стенки – низкую температуру пресс-формы с невысоким давлением.

Давление прессования, действующее на материал в форме, необходимо для его уплотнения и придания конфигурации. Уровень давления определяется типом формуемого материала, его вязкостью на стадии заполнения формы, высотой и толщиной стенок изделия, наличием знаков и арматуры в формуемом изделии, скоростью опускания пуансона. Так, с ростом текучести материала и температуры пресс-формы давление снижается, а ростом отношения высоты значения заполнения к толщине стенки изделия давление прессования повышается.

При выборе давления прессования имеется ввиду удельное давление – эффективное усилие, создаваемое прессом и приходящееся на 1 см² площади горизонтальной проекции детали. Оно зависит от текучести материала и должно обеспечить течение размягченного материала, заполнение оформляющей полости формы. Поэтому для прессования деталей сложной конфигурации требуются более высокие давления.

Время цикла прессования (t_ц) складывается из времени, необходимого для опускания пуансона (t_оп), загрузки пресс-материала (t_з), выдержки его в форме под давлением (t_выд), выталкивания готового изделия (t_выт) и подготовке формы к следующей запрессовки (t_подг):

 

t_ц=t_з+t_оп+t_п+t_выд+t_подг.

 

Время выдержки материала в пресс-форме зависит от вида и марки пресс-материала, скорости нагревания материала до температуры отверждения, скорости отверждения, толщины изделия.

Оно влияет на качество изделий и производительность пресса.

 

Вопросы для закрепления знаний

1. Устройство пресса?

2. Стадии прессования?

3. Что такое подпрессовка?

4. Способы предварительного нагрева материала?