Пластические массы

ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Конспект лекций

по разделу

«СИМВОЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ В MATLAB»

для студентов специальности

2-45 01 03 – Сети телекоммуникаций

Составители:

Бондаренко Валентин Федорович

Дубовец Валерий Денисович

Редактор Е. Б. Левенкова

Компьютерная верстка В. Ф. Бондаренко

План 2009/2010 уч.г., поз. 25

Подписано в печать 30.03.2009. Формат 60*84/16.

Бумага офсетная. Гарнитура «Times».

Печать цифровая.

Усл. печ. л. 4,24. Уч.-изд. л.. 4,66.

Тираж 50 экз. Заказ 58.

Издатель и полиграфическое исполнение:

учреждение образования

«Высший государственный колледж связи»

ЛИ № 02330/0131902 от 03.01.2007.

Ул. Ф.Скорины, 8/2, 220114, г. Минск

Структура пластмасс. Пластические массы - это материалы на основе полимеров. Полимер - высокомолекулярное соединение, макромолекулы которого состоят из очень большого числа простых, одинаковых, повторяющихся звеньев. Например, полиэтилен [-CH₂-CH₂-]_n образуется из мономера - этилена CH₂ = CH₂, где число n может достигать нескольких десятков тысяч единиц.

Если макромолекула состоит из звеньев различной природы, то материал называется сополимером.

Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную или сетчатую структуру (рис.58).

Рис.58. Структура макромолекул: а-линейная, б-разветвленная,

сетчатая

Полимеры с линейной и разветвленной структурой макромолекул относятся к термопластичным (термопластам), полимеры с сетчатой структурой - к термореактивным (реактопластам).

Термопласты (полиэтилен, полистирол, капрон и др.) при нагреве расплавляются до высоковязкой жидкости, при охлаждении они восстанавливают свои свойства. Это позволяет перерабатывать термопласты неоднократно. Термопласты обладают повышенной пластичностью, но малой теплостойкостью, они растворимы в соответствующих растворителях.

Реактопласты (стеклопластики, текстолит и др.) при повышении температуры не размягчаются, но при достижении достаточно высокой температуры разрушаются. Реактопласты не растворимы.

Полимеры в зависимости от своей природы и условий затвердевания могут иметь структуру с преобладающим содержанием аморфной или кристаллической фазы.

Необратимое изменение свойств полимера во времени под влиянием внешней среды называется старением. Для борьбы со старением в полимеры вводят стабилизаторы, которые, вступая в реакцию, препятствуют развитию процессов окисления. Например, введение в полиэтилен 2% сажи повышает устойчивость его против старения в 30 раз.

Основные представители полимеров и пластмасс. При введении в полимер наполнителей (древесная или кварцевая мука, стекловолокно, стеклоткань, хлопчатобумажная ткань, бумага и др.) пластификаторов, пигментов (оксид железа, оксид хрома и др.), стабилизаторов (сажа и др.) получаются пластмассы - композиционные материалы, состоящие из нескольких компонентов. Наполнители вводят для изменения свойств полимеров, их удешевления; пластификаторы - для повышения пластичности материала, пигменты - для достижения необходимой окраски; стабилизаторы - для борьбы со старением.

Основными термопластичными полимерами являются полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, органическое стекло, капрон, фторопласт и др.

Полиэтилен имеет повышенную пластичность, характеризуется низким водопоглащением, обладает высокими диэлектрическими свойствами и химической стойкостью. Практически не растворяется в органических растворителях. Недостатки полиэтилена - невысокая механическая прочность, низкая теплостойкость и склонность к старению. Полиэтилен высокого давления используется для изоляции проводов, кабелей и для изготовления пленки; низкого давления - для труб, различных емкостей, конструкционных несиловых деталей.

Полипропилен характеризуется повышенной прочностью и теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом. Недостаток полипропилена - пониженная морозостойкость. Его используют для электрической изоляции, изготовления труб, конструкционных деталей.

Полистирол - стеклообразный при нормальной температуре материал, более жесткий чем полиэтилен. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Недостатки полистирола - хрупкость, невысокая ударная вязкость и пониженная теплостойкость. Полистирол широко используется в качестве изоляционного материала в радиотехнике, в электронной технике в виде деталей. При введении в полистирол порофоров и последующим вспенивании получают пенополистирол, характеризующийся хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Поливинилхлорид является практически аморфным полимером, обладающим низкой температурой разложения. Для предохранения материала от разложения в него вводят стабилизатор, а для повышения пластичности - пластификатор. Стабилизированный поливинилхлорид называют винипластом, а стабилизированный и пластифицированный - пластикатом. Винипласт используют в качестве труб, листов, емкостей в химической, нефтяной и пищевой промышленности, как материал обладающий хорошей химической стойкостью. Пластикат применяют в качестве изоляционного материала. На основе пластиката изготавливают линолеум, искусственную кожу и др.

Органическое стекло характеризуется хорошей светопрозрачностью до 99% видимых и 75% ультрафиолетовых лучей. Его применяют в некоторых случаях для остекления и изготавливают из него низкочастотные изоляторы. Недостатком оргстекла является поверхностное растрескивание. С целью повышения его механической прочности и сопротивляемости растрескиванию проводят вытяжку листов в высокоэластическом состоянии.

Капрон, относящийся к полиамидам, обладает повышенными механическими свойствами по сравнению со всеми предыдущими материалами, а также имеет хорошие антифрикционные свойства. Недостаток капрона - большее водопоглощение. Его используют в машиностроении для изготовления подшипников скольжения, шестерен и др.

Фторопласт характеризуется высокой химической стойкостью ко всем кислотам, щелочам, совершенно не поглощает воду, работоспособен в широком диапазоне температур (от -200 до + 200 ⁰С) и является хорошим диэлектриком. Недостатки - фторопласта невысокие механические свойства и интенсивная ползучесть при небольших нагрузках. Его используют в качестве диэлектрика и антифрикционного материала, а также для несиловых деталей, работающих в агрессивных жидкостях.

Названные выше термопласты хорошо обрабатываются механическими способами (точение, фрезерование, и др.).

К термореактивным полимерам следует отнести фенолоформальдегидную, полиэфирную, эпоксидную, кремний органическую смолы, которые в твердом состоянии имеют сетчатую структуру макромолекул. Названные смолы имеют невысокую механическую прочность и в чистом виде не используются. Смолы широко используются в качестве связующего для изготовления пресс-порошков, стекловолокнитов, текстолитов, углепластиков. В композиционных пластмассах содержание смолы достигает 30-50%. Из перечисленных смол наибольшей механической прочностью обладают эпоксидные смолы, наиболее дешевыми являются фенолоформальдегидные смолы.

Пресс-порошки представляют собой композиционные материалы чаще всего на основе фенолоформальдегидной смолы и наполнителя в виде древесной, кварцевой муки, асбеста, графита и др. Наполнитель придает материалу необходимые механические свойства. Из них изготавливают детали электротехнического назначения (розетки, штепсели, патроны и т.д.), несиловые детали машиностроения (кнопки, ручки и т.п.).

Текстолиты получают на основе фенолоформальдегидной смолы и хлопчатобумажной ткани. Текстолиты имеют хорошие антифрикционные свойства, высокую прочность на сжатие и хорошие электроизоляционные показатели. Их используют для подшипников скольжения, зубчатых колес и электроизоляционного назначения. Обрабатываемость текстолита механическими способами удовлетворительная.

Углепластики получают с использованием углеродных волокон. Углеродные волокна изготавливают из вискозного или полиакрилонитратного волокна путем их термической обработки при 1500-3000 ⁰С в инертной среде. При этом происходит процесс карбонизации и образование кристаллической решетки углерода. Для углепластиков характерны повышенные жесткость и модуль упругости при растяжении, а также высокая тепло- и химическая стойкость. Их применяют для изготовления сопел реактивных двигателей, лопастей вертолетов.

Переработка термопластов. Для изготовления изделий из термопластов наиболее часто используют следующие основные способы: литье под давлением, центробежное литье, свободное литье, экструзию (выдавливание), раздувку, вакуумное и пневматическое формование, штамповку.

Литье под давлением - наиболее распространенный метод обработки термопластов. Он осуществляется на литьевых машинах (рис.59) и заключается в размягчении материала в цилиндре 4 и за счет нагрева и перемешивания его шнеком 5 до вязкотекучего состояния. При поступательном движении шнека материал через сопло 6 под давлением впрыскивается в литьевую форму 7, где охлаждается и застывает, повторяя конфигурацию формы.

Рис.59. Схема шнековой литьевой машины: 1-гидравлический

цилиндр; 2-привод; 3-бункер; 4-пластикационный цилиндр; 5-шнек; 6-сопло; 7-литьевая форма; 8-нагреватели

Литьевая форма состоит из правой неподвижной и левой подвижной частей. При размыкании формы левая часть ее (пуансон) с изделием отходит влево, при соприкосновении с выталкивателем изделие падает в приемный лоток. Весь процесс - от подачи гранул материала в бункер до транспортировки готового изделия - может быть автоматизирован. Наряду со шнековыми машинами для переработки термопластов используют и поршневые литьевые машины. Температура переработки изменяется в пределах от 175 ⁰С для полиэтилена до 215 ⁰С для полистирола.

При литье под давлением получают изделия массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенки до 10 мм.

К недостаткам процесса можно отнести появление в деталях остаточных напряжений и расход материала на литники.

Центробежное литье заключается в том, что расплав термопласта заливают в нагретую цилиндрическую форму, которую приводят во вращение. Центробежная сила отбрасывает материал к стенкам формы и уплотняет его. После охлаждения и остановки формы изделие извлекают и подвергают механической обработке. Так изготавливают трубы, шестерни, втулки и т.п.

При свободном литье разогретый материал затвердевает в форме без давления. Его использование ограничено из-за появления в изделии раковин и других дефектов. С целью устранения дефектов процесс производят на вибростоле с использованием вакуума, что позволяет уплотнить материал и удалить газы, выделяющиеся при полимеризации. Этот метод применяют для получения изделий из органического стекла, а также капролита массой до 50 кг.

Метод экструзии заключается вразмягчении материала и непрерывном выдавливании его червячными или дисковыми устройствами в вязкотекучем состоянии через профилирующее отверстие головки с последующим охлаждением изделия. Так получают трубы, стержни, листы, пленки, изделия, имеющие поперечное сечение в виде различных профилей.

Рис.60. Горизонтальный экструдер: 1-привод; 2-бункер; 3-цилиндр;

4-червяк; 5-канал для выхода расплава; 6-нагреватели

Поступающее в бункер 2 (рис.60) материал расплавляется и перемешивается червяком 4, что обеспечивает однородность состава. Метод экструзии, наряду с методом литья под давлением, является одним из наиболее распространенных при переработке термопластов. Основное преимущество - его высокая производительность, равная 1 м/мин готового изделия.

Метод раздувки используют для изготовления пустотелых изделий (канистры, бутылки) и пленок. При этом методе термопласт выдавливается через головку экструдера в виде трубчатой заготовки. К заготовке подводят две полуформы (рис.61), затем их смыкают. Через горловину изделия подводят сжатый воздух, который раздувает заготовку до необходимой конфигурации. За 1 час изготавливают 600 шт.

Рис.61. Схема раздувки полых изделий: а-форма разомкнута и подана

заготовка; б-форма сомкнута и подан сжатый воздух; в-форма разомкнута: 1-трубчатая заготовка; 2-головка экструдера; 3-форма; 4-каналы для охлаждения формы; 5-изделие

Метод раздувки является также основным для получения пленки из полиэтилена, полипропилена и других материалов, которые не подвергаются термической деструкции при переходе в вязкотекучее состояние (рис.62).

Рис.62. Схема получения пленки методом раздувки: 1-экструдер;

2-формующая головка; 3-рукав пленки; 4,6-направляющие ролики; 5-тянущие ролики; 7-барабан с пленкой; 8-канал для подачи сжатого воздуха; 9-канал для подачи расплавленного полимера

При этом способе расплав полимера экструдируется в виде рукава, который затем растягивается сжатым воздухом. Диаметр рукава пленки может достигать 16 м.

Методом вакуумного или пневматического формования перерабатывают листовые термоплаты (оргстекло, полистирол и др.). При вакуумном способе (рис.63) формование осуществляют под воздействием силы, возникающей из-за разрежения внутри формы. Эта сила воздействует на нагретый до высокоэластического состояния лист термопласта, производя формование. Для фиксации полученной формы изделие охлаждают. Для переработки толстых листов вакуумное формование дополняют механическим или пневматическим. Таким методом изготавливают крупногабаритные детали для холодильников, различные ванны и др.

Рис.63. Схема вакуумного формования: а-нагрев; б-формование:

1-нагреватель; 2-прижимная рамка; 3-лист термопласта; 4-вакуумная камера; 5-форма

Метод штамповки используют для изготовления тонкостенных и крупногабаритных изделий. Формование изделий осуществляется в результате вытяжки, изгиба или сжатия заготовки пуансоном. Заготовки при штамповке нагреваются до высокоэластического состояния. Разновидностью штамповки является вырубка с помощью штампов, оснащенных режущими элементами.

Дата добавления: 2014-12-07