Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Производство пластиков. Часть 5

Армированные композиты содержат высокопрочную добавку, включенную в первичную смолу. Добавка обычно представляет собой стекло, углерод или кевларовое волокно. Эти волокна могут быть случайными, ориентированными или иметь особую форму. В некоторых случаях используется мелкая металлическая стружка. Обычным способом достижения этого процесса является распыление. Катализатор, смолу и измельченный материал распыляют на форму. Например, обрабатываемая полимерным покрытием ванна термоформуется, а затем производится распыление для укрепления детали. Намотка филамента – еще один метод изготовления армированного композитного материала. В этом процессе непрерывное волокно многократно наматывают на форму для создания направленной прочной поверхности. Большая часть намотки, используемой в промышленности, производится на заказ. Пултрузия – это третий процесс, с помощью которого производятся армированные композиты. Этот процесс позволяет непрерывно производить композит постоянного профиля. В этом случае волокна протягиваются через смолу, пропитывающую материал. По мере отверждения смолы деталь становится более прочной. Производство композитов – это очень специализированная область. Поэтому до сих пор существует очень мало крупных компаний, которые сосредотачиваются именно на производстве композитов и получают с этого производства основную часть своего дохода. Эти компании обычно являются самоуправляемыми и не имеют корпоративных офисов, которые курируют множество более мелких заводов, разбросанных по всему миру.

Процесс литья под давлением в его простейшей форме используется уже почти 150 лет (Так, американское Общество инженеров по пластмассам, SPE, недавно отметило 150-летие со дня первого пластикового изделия, отлитого под давлением еще в 1868 году – этим изделием стал бильярдный шар). По сравнению с современными термопластавтоматами, ранние машины, конечно, были примитивными. Наибольший прогресс был достигнут с 1960-х годов, когда была представлена машина для литья под давлением с возвратно-поступательным движением винта (IMM). Это те машины, которые используются и сегодня. Можно считать, что IMM состоит из двух половин: блока впрыска, где материал подготавливается для впрыска в форму, и узла зажима, где впрыскиваемый пластик захватывается в форме в условиях температуры и давления для формирования готового продукта. В ранних машинах узел впрыска представлял собой просто поршень, перемещающийся в нагретом цилиндре. Сырье подавалось в цилиндр по объему или по весу, и материал достиг рабочей температуры за счет теплопроводности. Правда, у этого подхода было два серьезных ограничения. Во-первых, поскольку пластик нагревается за счет теплопроводности от цилиндра, нагрев должен осуществляться снаружи поперечного сечения пластика. Пластики – очень плохие проводники тепла, поэтому тепловая однородность достигается за счет длительного времени выдержки, что снижает производительность оборудования.

Модернизация процесса литья под давлением началась в 1950-х годах с попыток внедрить экструзионную технологию в процесс формования. Преимущество экструдера в том, что он не полагается на теплопроводность для передачи энергии пластику. Скорее, винт использует геометрию и мощность приводного двигателя для работы с материалом, генерируя тепло от трения. Такая комбинация обеспечивает быстрый и эффективный нагрев, а также перемешивание материала. В отличие от экструзии, литье под давлением – это прерывистый или периодический процесс. Таким образом, шнек не вращается непрерывно, и пластик имеет нужное время пребывания в цилиндре, что не происходит в процессе непрерывной экструзии. Это время необходимо тщательно контролировать, и это называется температурной переменной, потому что вероятно возникновение теплопередачи, что может привести к возникновению некоторых проблем. Оборудование, связанное с узлом впрыска в поршневом IMM, состоит из загрузочной воронки, цилиндра, поршневого винта, устройства вращения шнека (может быть гидравлическим или электрическим), системы охлаждения, а также гидравлических насосов или электродвигателей. В зажимной секции используются фиксированная плита, подвижная плита, собственно зажимной механизм (гидравлический, механический или комбинированный), а также форма.

Процесс производства заключается в следующем. Сначала форма закрывается, и на узел впрыска поступает сигнал. Винт движется вперед, действуя как плунжер (поршень), заставляя пластик течь через систему подачи в полости формы. Это сопровождается увеличением давления в полости по мере заполнения формы. Если в полости нет пластика, значит, есть воздух, и необходимо предусмотреть возможность выталкивания воздуха наружу по мере заполнения полости (так называемая вентиляция). В местах, где полость заполнена, производственный процесс еще не завершен, поскольку это еще горячий пластик. Перед охлаждением должно быть достаточно горячих молекул, чтобы обеспечить необходимый объем после охлаждения (усадка пресс-формы будет рассмотрена позже). Этот шаг называется «уплотнением» полости. Затем форма закрывается и происходит охлаждение. К этому моменту полость уже заполнена, и можно измерить фактическое время заполнения. Хотя это обычно не делается, эти данные можно использовать для расчета скорости сдвига пластика. В свою очередь, это может быть использовано для определения характеристик текучести материала. Винт, действующий как плунжер, работает так, что горячий пластик в некоторой степени сжимается. Избыток горячей массы поступает в полость формы для того, чтобы после охлаждения в детали оставалось нужное количество материала. В самых ранних шнековых машинах (1960-е годы) функции наполнения и придания окончательной формы выполнялись с помощью единственного гидравлического насоса. Однако вскоре стало очевидно, что речь идет о двух отдельных действиях.