В статье приводятся основные виды полимеров, используемые при производстве изделий методом вакуумного формования. Дается описание их свойств и характеристик, влияющих на готовые изделия и процесс вакуумного формования в целом.
Актуальность темы заключается в анализе существующих видов термопластов, их свойств и характеристик. Термопласты имеют определенные особенности, что позволяет использовать их в вакуумном формовании. Задача состоит в том, чтобы изучить данные характеристики и их влияние на процесс вакуумного формования. Важное значение имеют технологические свойства термопластов. Выбор оптимального варианта материала осуществляется на основании условий эксплуатации изготавливаемого изделия. К изготовленным изделиям предъявляются определенные требования по эксплуатации в различных климатических условиях, условиях повышенного износа, в среде химически активных веществ и различного рода излучений.
Основная часть
Пластик достаточно молодой материал, однако быстро заменил собой металл, древесину и камень, так как легко обрабатывается и перерабатывается, является более дешевым материалом, а процесс изготовления изделий из пластика менее трудоемкий и затратный. В настоящее время для обработки листового пластика очень широко используется метод вакуумного формования, при котором лист пластика нагревается и переносится на специальную форму, между разогретым листом пластика и формой создается вакуум и пластик приобретает очертания формы. Данный метод используется в машиностроении и пищевой промышленности для изготовления различных деталей машин, упаковки, рекламы и много другого. Качество выпускаемой продукции складывается из множества факторов и ключевым из них является состав пластика, его свойства. Существует множество разновидностей полимеров, но для процесса вакуумного формования используются в основном термопластичные полимеры (термопласты). При обычной температуре термопласты находится в твердом состоянии, а при повышении температуры они переходят в эластичное или же текучее состояние, что обеспечивает возможность формования вакуумным методом. Для вакуумного формования используются такие термопласты как полиэтилен, полипропилен, полистирол, AБС-пластики, поликарбонат, полиамид и ещё ряд полимеров со схожими свойствами. Так как детали из пластика используются в различных сферах деятельности человека, то к ним должны предъявляться определенные требования. К примеру, детали машин должны обладать такими качествами, как твердость, теплостойкость, плотность и морозостойкость.
Полиэтилен является полимером этилена и имеет хорошие амортизационные и диэлектрические свойства. Полиэтилен устойчив к нагреву в атмосфере инертных газов и в условиях вакуума, но на воздухе при нагревании уже при 80 °С начинается процесс деструкции. Под воздействием ультрафиолетовых лучей подвергается фотодеструкции, однако устойчив к низким температурам до –70 °С. Имея не высокую температуру деструкции, он легко перерабатывается и подвергается внешнему воздействию, модификации. Из полиэтилена изготавливают в основном упаковку, так как он подвержен изменению своей структуры в присутствии ультрафиолета, но его использование в качестве различных деталей также возможно посредством фторирования, хлорирования, сульфирования, а также смешением с другими полимерами. Этими способами ему можно придать эластичность, улучшить теплостойкость и стойкость в химически активных средах, придать ударную вязкость. Многие свойства зависят от молекулярной массы и плотности термопласта, поэтому для разных видов полиэтилена они разные. По своим свойствам различают полиэтилен высокого давления (ПВД) и низкого давления (ПНД). Полиэтилен высокого давления имеет более разветвленную структуру и более мягкий, чем ПНД, поэтому детали из ПНД более плотные и имеют высокую износостойкость. Интервал рабочих температур ПВД колеблется в пределах от -260 до +120 °С, поэтому он часто используется для изготовления деталей, эксплуатируемых при низких температурах. Полиэтилены с молекулярной массой более 1 млн. имеют высокую прочность, поэтому часто используются в химически агрессивных средах, а также обладают низким коэффициентом трения. ПНД получают полимеризацией на катализаторах типа Циглера-Натта протекающей при 80°С и давлении 0,3–0,5 МПа в суспензии или газовой фазе, поэтому наличие остатков катализаторов не позволяет использовать ПНД в качестве упаковки для пищевых продуктов [1, с.15].
При сравнении этих двух видов полиэтилена, можно с уверенностью сказать, что ПНД имеет более высокие показатели прочности и теплостойкости, улучшенные характеристики жесткости и твердости, обладает большей стойкостью к различным растворителям, чем ПВД. Однако ПВД легче подвергается обработке методом вакуумного формования, так как более мягкий. Данные характеристики ПВД очень востребованы при производстве сложных изделий с высокой степенью детализации, при том, что более мягкий материал легче подвергается формованию.
Полипропилен является полимером пропилена, который получают полимеризацией в растворителях в присутствии катализаторов типа Циглера-Натта. Степень кристалличности полипропилена достигает 73–75 % при температуре плавления 165–170°С [1, с.17]. Полипропилен отличается высокой прочностью и пластичностью, высокой износостойкостью, обладает хорошими электроизоляционными свойствами, высокой химической стойкостью к кислотам и щелочам. Является хорошим материалом для формования именно из-за своей пластичности. Однако в процессе вакуумного формования способен накапливать электростатические заряды. Изделия из полипропилена имеют низкую морозостойкость -15°С [2, с.10], поэтому используются только при положительных температурах, что значительно сокращает области применения деталей из полипропилена. При введении в макромолекулу изотактического полипропилена звеньев этилена можно повысить показатели морозостойкости. К недостаткам так же можно отнести чувствительность к ионизирующим и ультрафиолетовым излучениям. Изделия из полипропилена нашли широкое применение в медицине, пищевой промышленности и электротехнике. Тонкий срез полипропилена практически прозрачен, поэтому из него так же изготавливаются прозрачные упаковочные плёнки.
Поликарбонат — сложный полиэфир угольной кислоты и соединений пропана. Это термопластичный конструкционный полимерный материал, который обладает высокой прочностью и жесткостью в сочетании с высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Поликарбонат кристаллизуется очень медленно и в процессе вакуумного формования остается практически аморфным и прозрачным. Коэффициент светопропускания составляет порядка 90 %, а регулярное строение макромолекул обеспечивает степень кристалличности до 10–40 %. Детали из поликарбоната сохраняют стабильность свойств и размеров благодаря высокому уровню межмолекулярного взаимодействия, так же это обеспечивает высокие температуры стеклования (141–149°С) и плавления (220–230°С). Температура деструкции достигает 380°С. Поликарбонат обладает высокой морозостойкостью до -100°С, что позволяет осуществлять его массовое использование в северных широтах. Склонен к незначительному поглощению воды, поэтому требует сушки перед началом вакуумного формования. Излишняя влага после нагрева и формования, на этапе остывания, при больших размерах детали может привести к её деформации. Поэтому для предотвращения деструкции при температурах формования поликарбонат предварительно сушат в вакууме при 115±5 °C до содержания влаги не более 0,02 %. Поликарбонат восприимчив к длительному воздействию ультрафиолетового и ионизирующего излучения. Под воздействием ультрафиолета происходит изменение оптических (помутнение, пожелтение) и механических свойств деталей. Поэтому во избежание этого используются ультрафиолетовые-стабилизаторы, которые образуют специальное покрытие для повышения устойчивости к атмосферным воздействиям. Поликарбонат применяется для изготовления оптически прозрачных, ударостойких деталей в машиностроении, электротехнике, приборостроении, медицинской промышленности, в промышленном и гражданском строительстве. Из поликарбоната изготавливаются также прецизионные детали, корпусные детали бытовой техники, световые табло, изделия индивидуальной защиты. Благодаря высокой прочности и ударной вязкости (250–500 кдж/м2) [2, с. 10] применяются в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности, используются при изготовлении защитных шлемов и пуленепробиваемых стекол. При этом для улучшения механических свойств применяются и наполненные стекловолокном композиции.
Полистирол относится к термопластам общетехнического назначения и широко используется в производстве товаров бытового и культурно-бытового назначения, строительстве, светотехнике, медицинской технике и рекламе. При нормальных условиях полистирол жесткий материал, а отсутствие кристаллической фазы делает его прозрачным, с коэффициентом светопропускания до 90 %. Полистирол широко применяется в электротехнике, так как является хорошим диэлектриком, используется в производстве светофильтров и тонких ориентированных конденсаторных пленок. Методом вакуумного формования из полистирола производят различные рекламные вывески, фасады мебели, различные объемные детали, рассеиватели фар, корпуса и приборные панели. Однако данным методом не производятся сложные детали, так как после остывания на стадии охлаждения полистирол становится хрупким, имеет низкую ударную прочность и извлечь готовую деталь из сложной формы, не повредив её, практически невозможно. К недостаткам полистирола так же можно отнести небольшую теплостойкость, стойкость к воздействию ультрафиолетовых излучений и химически агрессивным средам. Полистирол хорошо совмещается с пластификаторами, но улучшенными характеристиками обладают сополимеры стирола, которые получили широкое распространение в автомобилестроении. Сополимеры обладают более высокой химической стойкостью, повышенной теплостойкостью (до 95°С) и прочностью при изгибе (до 130 МПа) по сравнению с полистиролом. Наибольшее распространение обработкой методом вакуумного формования получили ударопрочные сополимеры стирола. Ударопрочный полистирол — продукт привитой сополимеризации стирола с каучуком. Доля сополимера составляет около 15 % [3]. Введение каучука в состав стирола приводит к снижению жесткости, прочности и твердости ударопрочного полистирола, при этом уменьшается его теплостойкость на 20–25°С и прозрачность. Наличие частиц каучука ухудшает электроизоляционные свойства сополимера, однако данные характеристики нашли применение в приборостроении и изготовлении одноразовой посуды и тары.
Более высокой стойкостью к ударным нагрузкам по сравнению c ударопрочным полистиролом и другими сополимерами стирола обладает АБС-пластик. АБС-пластик — ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Пропорции могут варьироваться в пределах: 15–35 % акрилонитрила, 5–30 % бутадиена и 40–60 % стирола. Выдерживает кратковременный нагрев до 90–100 °С, а также длительную эксплуатацию при температурах в 75–80 °С. АБС-пластик обладает оптимальным сочетанием эластичности и ударопрочности, что делает его одним из самых востребованных пластиков для производства сложных формованных изделий с высокой степенью вытяжки и точности изготовления. В настоящее время получил широкое применение в системах быстрого прототипирования (3D принтерах) благодаря своей высокой температуре стеклования. При эксплуатации готовых деталей в условиях невысоких температур не возникает деформаций, что говорит о достаточно высокой размерной стабильности. АБС не стоек к ультрафиолетовому излучению. Под длительным воздействием солнечного света меняется структура кристаллической решетки, ослабляются связи, что приводит в конечном итоге к разрушению даже при небольших нагрузках. Поэтому в основном используется для производства деталей, мало контактирующих с ультрафиолетовым излучением. Хладотекучесть пластика позволяет также формовать его при высоких давлениях ниже температуры стеклования. Используются АБС-пластики для изготовления крупногабаритных корпусных деталей в машиностроении, мебели, сантехники, корпусов крупной бытовой техники, деталей оружия и многого другого.
Полиамиды — полимерные материалы, в которых взаимодействие между молекулами находится на высоком уровне из-за наличия достаточно большого количества водородных связей. Обладают гибкой молекулярной цепочкой и кристаллизируются с большой скоростью. Степень кристаллизации составляет 40–70 %. Переход из твердого состояния в расплав происходит на узком интервале температур, при низкой вязкости. В зависимости от марки, полиамиды имеют разные температуры плавления от 180 до 260°С и стеклования от 40 до 60°С [4]. Полиамиды обладают высокой прочностью и ударной вязкостью в широком диапазоне температур. Благодаря своим характеристикам отлично формуются. Готовые детали из полиамида обладают высокой морозостойкостью -60°С и износостойкостью, поэтому область их применения очень обширна. Однако свойства и размеры изготовленных из них деталей во многом зависят от окружающей среды, а именно от влажности и ультрафиолетового излучения. К ультрафиолетовому излучению имеют низкую стойкость, а водопоглощение достигает нескольких процентов, поэтому полиамиды имеют плохие диэлектрические свойства. Именно поэтому, перед началом процесса формования, листы полиамида просушиваются, чтобы избежать дальнейшего брака на этапах формования и охлаждения. Хорошо просушенный полиамид не накапливает электростатических зарядов и обладает высокой масло- и бензостойкостью. Ассортимент изготавливаемых изделий из полиамида очень велик. Полиамиды используются как электроизоляционный, конструкционный и антифрикционный материал в различных областях промышленности. В автомобильной промышленности из полиамидов методом вакуумного формования изготавливаются теплостойкие и износостойкие корпусные детали, крышки катушек зажигания, колпаки колес, приборные панели и многое другое. Изготавливаются так же изделия технического и бытового назначения, рекламные вывески, декоративные элементы зданий и сооружений, корпуса бытовой техники и другие изделия, к которым предъявляются требования высокой прочности и износостойкости.
Выводы
Анализ современного рынка полимерных материалов позволил выделить несколько самых распространённых видов пластмасс. Среди них широкое применение получили термопластичные полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен, полистирол, полиамид, АБС-пластик и другие. Данные материалы используются в производстве изделий методом вакуумного формования. Основные характеристики термопластов: морозостойкость, температура пластификация, стеклования, деструкции, вязкость, плотность, износостойкость и защищенность от различного рода излучений. Данные характеристики являются основой критерия выбора необходимого термопласта в зависимости от требований, предъявленных к выпускаемым изделиям. Приведены примеры использования термопластов и изготовления деталей методом вакуумного формования.
Литература:
- Власов С. В., Кандырин Л. Б., Кулезнев В. Н., Марков А. В., Симонов-Емельянов И. Д.,Суриков П. В., Ушаков О. Б. Основы технологии переработки пластмасс. — М.: Химия, 2004. — 600 с.
- Шерышев М. А., Пылаев Б. А. Пневмо- и вакуумформование. — Л.: Химия, 1975. — 96 с.
- Полистирол // Полимерные материалы. URL: http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/5.html&viewinfo=2 (дата обращения: 30.11.2017).
- Полиамид // РустХим. URL: http://poliamid.ru/ (дата обращения: 30.11.2017).
