Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов обработки и способов механического и электрофизического модифицирования полимерных материалов 10
1.1 Методы переработки полимерных материалов 10
1.2 Модификаторы и методы модифицирования полимерных материалов . 24
1.3 Наноматериалы 36
1.4 Методы получения нанокомпозитов 42
2. Объекты и методы исследования 44
2.1 Объекты исследования 44
2.1.1 Сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола марки АБС - 2 (ТУ 2214-019-00203521-96) 45
2.1.2 Полиэтилен низкого давления марки 277-83 (ТУ 2211-004-50236110-2001) 46
2.2 Модифицирующие вещества 47
2.2.1 Углеродные наноструктурные материалы (УНМ) «Таунит» 47
2.2.2 Технический углерод (сажа) марки К-354 (ГОСТ 7885-86) 48
2.3 Методы исследования 50
2.3.1 Методика приготовления образцов для исследования 50
2.3.2 Методика СВЧ-обработки полимер-углеродных материалов 50
2.3.3 Твердофазная плунжерная экструзия 51
2.3.4 Методы исследования структурно-механических свойств полимерных материалов 53
2.3.5 Методика определения теплостойкости и уровня остаточных напряжений в композитах после твердофазной экструзии 54
2.3.6 Методика исследования теплофизических свойств полимерных композитов на дифференциально-сканирующем калориметре DSC-2 56
2.3.7 Рентгеноструктурный анализ полимерных композитов 60
2.3.8. Статистический метод обработки данных 61
3 Экспериментальные исследования переработки полимер-углеродных материалов в твердой фазе с использованием СВЧ-излучения 62
3.1 Исследование процесса СВЧ-нагрева материалов 62
3.2 Твердофазная экструзия 66
3.3 Структурно-механические характеристики материалов, прошедших ТФЭ с наложением СВЧ электромагнитных полей 70
4 Моделирование процесса нагрева наномодифицированых полимер-углеродных материалов в СВЧ-электромагнитном поле 86
5 Конструкторская разработка оборудования для твердофазной технологии полимерных композитов 97
Основные результаты работы и выводы 106
Список литературы 108
Приложение 119
- Модификаторы и методы модифицирования полимерных материалов
- Методика определения теплостойкости и уровня остаточных напряжений в композитах после твердофазной экструзии
- Структурно-механические характеристики материалов, прошедших ТФЭ с наложением СВЧ электромагнитных полей
- Конструкторская разработка оборудования для твердофазной технологии полимерных композитов
Введение к работе
Актуальность темы. В начале ХХI столетия резко возрастают потребности атомной и тепловой энергетики, транспортных систем, авиации, ракето- и судостроения, машино- и приборостроения, медицинской техники, химической промышленности и в неметаллических материалах, способных выдерживать значительные статические и динамические нагрузки при высоких и низких температурах, в вакууме и агрессивных средах. Эти требования возможно удовлетворить совершенствованием существующих технологических процессов и оборудования, разработкой новых, более прогрессивных методов обработки материалов с целью формирования у них заданных свойств.
В настоящее время в различные отрасли промышленности внедряются новые экономичные и технически более совершенные производственные процессы твердофазной технологии.
Для реализации процессов твердофазной обработки давлением полимерных материалов в большинстве случаев применяется кондуктивный нагрев, к основному недостатку которого относится его значительная инерционность.
Альтернативой кондуктивному механизму теплопередачи является нагрев материала энергией электромагнитных волн сверхвысокой частоты (СВЧ). При СВЧ-нагреве тепловыделение происходит непосредственно в объеме материала. Такой нагрев является более эффективным и легко управляемым.
Недостаток системных теоретических и экспериментальных исследований воздействия СВЧ-нагрева не позволяет использовать широкие возможности твердофазной технологии и создавать новое высокопроизводительное оборудование по обработке полимеров давлением.
Работа выполнена в рамках совместной Российско-Американской программы Министерства образования и науки РФ и Американского Фонда гражданских исследований и развития «Фундаментальные исследования и высшее образование», проект НОЦ-019
ТамбГТУ–ИСМАН «Твердофазные технологии» на 2007 – 2012 гг.; в соответствии с ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг.,
ГК П2110 от 05.11.2009 «Исследование влияния СВЧ-излучения на формирование структуры с улучшенными физико-механическими свойствами наномодифицированных полимер-углеродных материалов при твердофазной обработке давлением» и ГК П702 от 20.05.2010 «Разработка методов твердофазной технологии создания и обработки углеродонаполненных полимерных материалов с заданными физико-механическими свойствами».
Цель и задачи исследования
Целью работы является исследование кинетики и разработка методов интенсификации процессов твердофазной технологии обработки модифицированных полимер-углеродных материалов для получения изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе СВЧ-нагрева.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработать способ интенсификации процессов твердофазной технологии обработки полимерных материалов.
-
Изучить зависимость влияния СВЧ-нагрева углеродных наполнителей на формирование структуры и эксплуатационных характеристик полимерных материалов.
-
Разработать математическую модель нагрева модифицированных полимер-углеродных материалов в СВЧ-поле.
-
Разработать аппаратурное оформление и технологическую схему энергосберегающей твердофазной технологии получения модифицированных полимер-углеродных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Научная новизна
Разработана математическая модель температурного поля цилиндрического образца при СВЧ-воздействии, позволяющая определить режимные параметры процессов твердофазной обработки модифицированных полимер-углеродных материалов.
Впервые экспериментально установлено повышение показателя поглощения СВЧ-излучения для АБС-сополимера, модифицированного углеродным наноматериалом.
Впервые показан и научно обоснован эффект интенсификации процесса твердофазной обработки модифицированных полимер-углеродных материалов на основе СВЧ-нагрева.
Практическая значимость
Предложен способ интенсификации процесса твердофазной обработки модифицированных полимер-углеродных материалов, использующий кратковременный
СВЧ-нагрев с целью снижения энергоемкости производства (патент РФ № 2361733).
Получены модифицированные полимер-углеродные материалы на основе крупнотоннажных полимеров (АБС-сополимера и ПЭВП), характеризующиеся улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Разработан метод инженерного расчета СВЧ-нагрева модифицированных полимер-углеродных материалов, позволяющий решать ряд научных и прикладных задач, в том числе определять режимы СВЧ-нагрева для достижения требуемых пластических характеристик материала в процессе твердофазной обработки.
Методами твердофазной технологии в условиях физического и физико-химического модифицирования полимерных материалов получены изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками (прочность, теплостойкость и т.д.).
Результаты экспериментальных исследований модифицирования полимерных материалов и методики инженерного расчета СВЧ-нагрева модифицированных полимер-углеродных материалов использовались на предприятии ООО «НаноТехЦентр» (Тамбов), а также в учебном процессе по направлению подготовки бакалавров 150100 «Материаловедение и технологии материалов» по дисциплине «Основы твердофазных технологий» в ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Экономическая эффективность разработанного технологического процесса обеспечивается снижением энергозатрат на 40% на стадии предварительного нагрева в результате СВЧ-нагрева модифицированных полимер-углеродных материалов. Одновременно снижается экологическая нагрузка производства в результате снижения отходов при твердофазной обработке материалов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса твердофазной экструзии (ТФЭ) модифицированных полимер-углеродных материалов на основе АБС-сополимера и ПЭВП.
2. Метод интенсификации процесса твердофазной обработки модифицированных полимер-углеродных материалов с целью повышения энергосбережения производства и улучшения эксплуатационных характеристик материалов.
3. Математическая модель температурного поля цилиндрического образца и результаты инженерного расчета значений интенсивности и показателя поглощения
СВЧ-излучения модифицированных полимер-углеродных материалов.
4. Результаты экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик модифицированных полимер-углеродных материалов, полученных ТФЭ с использованием СВЧ-нагрева.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на V – VIII Всероссийской с международным участием школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка, 2007 – 2010 гг.), I и III Международной конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль, 2008 и
2010 гг.), Всероссийской конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» – НПСС–2007–НПСС–2009 (Пермь, 2007 – 2009 гг.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и преподавателей, аспирантов и студентов «Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий» (Тамбов, 2008 г.), I – III Всероссийской научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2009 – 2011 гг.), Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» (Москва, 2009 г.), VIІI Международном конгрессе «Машины, технологии, материалы» (Варна, Болгария, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ (из них 3 в журналах из перечня ВАК), получен 1 Патент РФ на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, основные выводы и результаты, список литературы и приложение и содержит 119 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 12 таблиц.
Модификаторы и методы модифицирования полимерных материалов
Бурное развитие техники выдвигает проблему создания новых типов полимерных материалов с комплексом свойств; которыми не обладают известные ныне пластики. Ее в значительной степени можно решить с помощью модификации полимеров, под которой понимают способы регулирования их свойств в пределах, необходимых с точки зрения переработки и эксплуатации. В области модификации полимеров достигнуты огромные успехи. Богатый эмпирический материал связан с апробированием в качестве модификаторов различных соединений, выступающих либо в качестве наполнителей, либо -химически активных добавок, вводимых в широком диапазоне концентраций практически во все известные промышленные полимеры [38]. Вопросам модификации посвящены труды В.А, Картина, Г.Л. Слонимского, Г.Н. Гуля, С.С. Воюцкого, Б.В. Дерягина, Н.Н. Кротова, Г.Д. Андриевской, М.С. Акутина, Ю.С. Липатова, Г. Марка, Д. Бекермана, Р. Вакса, А.Г. Сироты, М.Л.Кербера и других.
Необходимость модификации обусловлена: - потребностью придания промышленным маркам полимеров требуемых эксплуатационных и технологических характеристик. Известно, например, что кристаллические полимеры (например, полиолефины - ПО) обладают, наряду с комплексом ценных свойств, рядом существенных недостатков (низкой адгезией к металлам, невысокой теплостойкостью, как ПЭ, и термостабильностью, как ГШ), лимитирующих в определенных случаях их использование в качестве эксплуатационных материалов. С помощью различных методов модификации возможно придание композициям на их основе необходимых свойств. Модификация каучуков полярными добавками позволяет улучшать основные эксплуатационные свойства резиновых изделий, в частности, манжет, сальников, прокладок, автомобильных шин (в первую очередь их надежность и долговечность), из-за низких значений которых от 40 до 90 % резиновых изделий выходят из строя. Целенаправленное введение модифицирующих компонентов в зоны, испытывающие при работе основную нагрузку; позволяет сократить расходы на получение и одновременно повысить срок службы всего изделия; - неполноценностью их химической и надмолекулярной структуры, обусловленной неоднозначным протеканием процессов синтеза, в результате которого в реальном полимере появляются нарушения регулярности структуры: разветвления, ненасыщенные группы, пространственная неоднородность и другие, оказывающие существенное и чаще всего негативное влияние на весь комплекс его свойств. В частности, такие аномальные звенья, как двойные связи, обладая высокой1 реакционной способностью, являются центрами окисления, деструкции или структурирования макромолекул в процессе термостарения. Кроме того, они ухудшают условия упаковки макромолекул, определяя тем самым изменения условий и возможности кристаллизации, приводя к формированию дефектных надмолекулярных образований. В результате реальные свойства полимеров, именно вследствие дефектности структуры, на порядок или более отстают от теоретических их значений. Разработка способов модификации, основанных на управлении дефектностью структуры ПО на стадиях как синтеза, так и конфекционирования и переработки его в изделия позволяет, с одной стороны, осознанно регулировать свойства полимеров, а с другой, достигать комплексного влияния на них; - возможностью достижения значительного экономического эффекта как за счет удешевления полимерных композиций на основе ПО, так и упрощения технологии изготовления изделий из модифицированных полимеров; возможностью восстановления или изменения, свойств отработанных изделий, обеспечивающих их повторное использование, и необходимостью защиты окружающей среды. Необходимость рецикла полимерных материалов, загрязняющих окружающую среду, становится серьезной социально значимой для человеческого сообщества задачей, которая может быть решена, в частности, модификацией полимеров, позволяющей, например, создавать фото- и биоразрушаемые полиэтиленовые пленки, деградируемые до усваиваемого микроорганизмами почвы уровня; - ограничением некоторых природных ресурсов, в частности, ценного натурального каучука. Проблема модификации химической структуры синтетического каучука связана с существенным отставанием его свойств от качественных характеристик натурального каучука, прежде всего высоких значений физико-механических свойств, обусловленных большой когезионной прочностью из-за наличия в макромолекулах остатков \ растительных полипептидов, функциональные группы которых способны к образованию лабильных водородных связей.
Все известные способы осуществления модификации полимеров целесообразно классифицировать по основным существенно-значимым признакам, систематизирующим накопленный экспериментальный материал [39].
По характеру протекающих процессов модификацию можно разделить на две большие группы: химическую и физическую. Такое общепринятое разделение достаточно условно, поскольку химические и физические процессы в полимерах всегда взаимосвязаны и взаимообусловлены. Тем не менее этот системообразующий подход необходим и указывает на обозначение основных и первичных актов модификации, определяющих впоследствии и другие изменения. Химическая модификация всегда является одновременно и физической и поэтому правильнее ее называть химико-физической.
Методика определения теплостойкости и уровня остаточных напряжений в композитах после твердофазной экструзии
Прибор через блок согласования и многофункциональную плату сбора данных производства National Instruments подключен к персональному компьютеру. Управление ходом эксперимента . и обработка экспериментальных данных осуществляется при помощи программы, созданной в графической среде LabVIEWS.6 [66].
Дифференциальный сканирующий калориметр DSC-2 подключен к персональному компьютеру через многофункциональную плату сбора данных N1 USB:6009. Программное обеспечение в данном случае выполняет функции визуализации и обработки экспериментальных данных.
Прибор позволяет задавать программную скорость и программировать требуемое изменение средней температуры держателей образца до нужной конечной температуры. Модель DSC-2 имеет рабочий диапазон от 998 К до 323 К. Органы управления задают также скорость нагрева и охлаждения в пределах от 0,312 до 320 /мин и чувствительность от 20"до 0,1 мкал/сёк. Общий вид управляющей панели дифференциального сканирующего калориметра DSC-2 представлен на рисунке 2.6 [66].
Для исследования теплофизических характеристик материала, образец запрессовывается в алюминиевую чашку, что позволяет обеспечить его изоляцию от внешней среды и равномерный нагрев по всей наружной поверхности. Не следует использовать алюминиевые чашки для образцов при температурах выше 500С (773 К), поскольку при высоких температурах они загрязняют держатели образцов.
Образец помещают в левый держатель, предназначенный для образцов, а пустую чашку и крышку в правый, предназначенный для эталона, пользуясь пинцетом или вакуумным устройством для извлечения. При установке данных объектов в аппарат, необходимо пользоваться поддоном для работы с образцами, с целью избежать попадания чашек для образцов или других материалов в полости для образцов, что может вызвать короткое замыкание или разрушить держатели для образцов.
После завершения процесса установки образца, следует снять поддон для работы с образцами и закрыть крышку кожуха держателей образцов, а затем установить конический колпак.
Далее, выставляя переключатели «скорость нагрева», «скорость охлаждения», «верхний предел», «нижний предел» и «режим работы» в необходимое для проведения опыта положение, задается программа сканирования образца. Регулятор «диапазон» позволяет выставить необходимые в выбранных условиях границы измерения.
После установки прибора в требуемый режим исследования, включающий в себя верхний и нижний пределы измерения температур, скорости нагрева и охлаждения, а также необходимый диапазон изменения, нажатием кнопки «нагрев», запускается программа температур. Во время работы индикатор температуры будет включен, когда температура на чашках держателей образца и эталона будет соответствовать температуре, указанной на цифровом табло температуры.
Все результаты изменения теплофизических свойств исследуемого образца через многофункциональную плату сбора данных N1 USB-6009 при помощи программы, созданной в графической среде LabVIEW8.6, передается на персональный компьютер. Это позволяет существенно облегчить процесс анализа собранных данных, а также дает возможность их копирования и обработки. Обработка включает в себя коррекцию сигнала калориметра с учетом заранее определенной базовой .линии, расчет энергии- фазовых переходов исследуемых материалов и калибровочных констант прибора [66, 69].
Для регистрации результатов эксперимента применяется программа, специально разработанная для данного прибора в графической среде LabVIEW 8.6. Снятие экспериментальных данных осуществляется в предназначенном для этих целей программном модуле, запускаемом нажатием кнопки «Test». Регистрация экспериментальных данных осуществляется автоматически. По завершении эксперимента, его результаты необходимо сохранить на жесткий диск персонального компьютера.
Чтобы представить данные эксперимента в виде графика с возможностью его редактирования и копирования, необходимо запустить соответствующий модуль программы. Это осуществляется нажатием кнопки «Recalculate». В данный модуль загружается файл, содержащий результаты эксперимента, указываются величины, по которым размечаются оси абсцисс и ординат. Далее, нажатием кнопки «Save to Excel», все экспериментальные данные переводятся в формат приложения Microsoft Excel, в котором имеются все возможности их дальнейшего редактирования и представления.
Рентгеноструктурные исследования образцов модифицированных полимер-углеродных материалов на основе АБС-сополимера и ПЭВП проводили в режиме «на отражение» в разных диапазонах углов дифракции (CuKa-излучение), монохроматизированного Ni-фильтром, с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-3.0. В дифрактометрических исследованиях применялась рентгенооптическая схема фокусировки первичного пучка по Иоганну, что обеспечивало исследование как изотропных.
Режим работы рентгеновских трубок определялся типом трубки и находился в пределах 80 % от максимально возможной мощности для увеличения срока ее службы. Для устранения вертикальной расходимости применяли щель Соллера с расходимостью 1,5. В ряде случаев использовали модернизированную коллимацию, позволяющую освободить дифракционный спектр от "паразитного" излучения, особенно в малоугловой области.
Структурно-механические характеристики материалов, прошедших ТФЭ с наложением СВЧ электромагнитных полей
В работе [69] также установлено, что для равномерной обработки диэлектрика в рабочей камере со стоячей волной (КСВ) образец должен размещаться в нижней ее зоне, не выше 65 мм от дна рабочей камеры, с расположением балластной нагрузки посередине у задней или боковых стенок рабочей камеры.
Экспериментально была определена кинетика нагрева исходного чистого полимерного материала (АБС-сополимер и ПЭВП), углеродного наноматериала (УНМ) и модифицированных полимер-углеродных материалов (АБС-сополимер + 1 масс. част. УНМ; ПЭВП + 1 масс.част. УНМ). Образцы исследуемых материалов выполнены в форме цилиндров диаметром 0,005 м. Порошок углеродного наноматериала подвергали нагреву в стеклянной пробирке такого же диаметра. Температура образцов измеряется термопарой, размещаемой по оси цилиндрического образца в процессе нагрева. Кинетика нагрева исследуемых материалов приведена в таблице
Анализ экспериментальных данных по кинетике нагрева показывает, что скорость нагрева порошка УНМ (5-8 С/с) значительно превосходит темп нагрева исходных полимерных материалов (0,1-0,4С/с). Модифицированные полимер-углеродные материалы на основе АБС-сополимера и ПЭВП также характеризуются низкой скоростью нагрева. Указанное обстоятельство является условием возникновения локально расплавленных зон полимера вокруг наночастиц УНМ.
При таком виде нагрева скорость нагрева составляющих частей полимерного композита определяется полярностью полимера и электропроводностью наночастиц углерода. Поскольку углерод является хорошим проводником и скорость его нагрева существенно выше, чем полимерной матрицы, то наблюдается более интенсивный нагрев наночастиц. Это приводит к локальному нагреву пограничной поверхности полимерной матрицы и углеродного наноматериала вплоть до расплавления полимера. Вокруг наночастиц возникает локальная зона расплавленного полимерного материала. При этом основная часть полимерного композита не успевает прогреваться и остается в твердом структурированном состоянии. Следует отметить, что при таком нагреве появляется возможность получения полимерной заготовки с локально расплавленными зонами полимерного композита, расположенными преимущественно у поверхности заготовки и достаточно холодной внутренней частью. Такой нагрев позволяет, сохраняя все преимущества твердофазного формования (ориентирование макромолекул за счет сдвиговых деформаций с соответствующим увеличением прочностных показателей готового изделия), дополнительно использовать расплавленные локальные зоны вокруг наночастиц для увеличения деформативности заготовок, определяемой структурной подвижностью полимерной матрицы.
Экспериментальные исследования особенностей ТФЭ модифицированных полимерных материалов проводили на экспериментальной установке с ячейкой высокого давления, разработанной в ТамбГТУ на универсальной испытательной машине УТС 101-5 в режиме ТФЭ при V — const при различных скоростях выдавливания в диапазоне V — (20... 200) мм/мин. По результатам эксперимента выделен оптимальный диапазон изменения скоростей 20 V 100 мм/мин, который соответствует устойчивому режиму выдавливания с гладкой поверхностью образцов. В областях малых скоростей V 20 мм/мин и больших скоростей V 100 мм/мин наблюдается неустойчивый режим выдавливания с появлением на поверхности образцов чешуек и трещин. Однако механизмы .этой неустойчивости для малых скоростей и больших скоростей выдавливания различны: В области малых скоростей (V 20 мм/мин) происходит развитие высокоэластической деформации из-за большой молекулярной массы и цепной молекулярной структуры композита, вследствие этого качество поверхности экструдата ухудшается. На рисунке 3.1 показана типичная диаграмма твердофазной экструзии АБС-сополимера, снятая на универсальной машине для испытания конструкционных материалов УТС 101-5 при скоростях выдавливания 20 V 100 мм/мин. По экспериментальным зависимостям четко обозначаются основные стадии процесса экструзии: 1) упругое или высокоэластическое деформирование, соответствующее повышению напряжения во времени; 2) пластическое деформирование (течение материала). Ранее установлено, что оптимальной температурой переработки в твердой фазе полимерных материалов и композитов является температура вторичного релаксационного перехода Тр-, ближайшая к Гс или Гпл. Для большинства полимеров она определяется из соотношения Бойера [8] как: Твердофазная экструзия при оптимальной температуре переработки имеет существенно заниженное необходимое давление формования, в результате ТФЭ возрастают прочностные и эксплуатационные характеристики экструдатов. Однако, процесс термостатирования заготовки занимает длительное время (порядка 30 мин). Использование СВЧ-нагрева позволяет сократить время нагрева заготовки с десятков минут до десятков секунд.
Конструкторская разработка оборудования для твердофазной технологии полимерных композитов
Важнейшим классификационным признаком для прессов является система передачи энергии от двигателя к прессующему органу. По этому признаку прессы разделяются на механические (эксцентриковые, винтовые, рычажные), пневматические, паровые, гидравлические и комбинированные (паро- или пневмогидравлические, рычажно-гидравлические и т. п.).
Выбор системы передачи энергии диктуется сочетанием многих требований, определяемых назначением пресса — абсолютной величиной тоннажа и хода, числом циклов в единицу времени, структурой цикла прессования и пределами регулирования всех этих величин.
Для большинства применяемых в производствах пластмасс прессов характерными параметрами являются: тоннаж более 500 кН, сравнительно большая длительность цикла (более 1,5 мин) с широким диапазоном ее регулирования. Этому сочетанию параметров в наибольшей степени удовлетворяют гидравлические прессы.
Прессы с механическим (кривошипным, фрикционным, винтовым и т. п.) приводом находят лишь ограниченное применение в основном для предварительного таблетирования пресс-порошков, штамповки неглубоких изделий из листовых термопластов, а в последнее время также для прессования малых изделий из пресс-порошков на основе термореактивных пластиков и для ударного прессования деталей простой конфигурации из некоторых видов термопластов.
Предлагаемая схема может включать операцию контроля массы или размеров заготовки, а также дополнительную механическую обработку изделий, если это необходимо.
На рис. 5.2 представлена технологическая схема получения изделий из термопластов методом листовой штамповки, включающая экструдер со щелевой головкой 1, подающие валки 2, вырубное устройство 3, нагревательное устройство тоннельного типа J, манипулятор 7, подающий нагретую заготовку в формующую оснастку, установленную на гидравлическом прессе 8. Отходы листа, образующиеся в процессе вырубки, поступают в дробилку 4 и затем возвращаются пневмотранспортом в экструдер.
В качестве рекомендаций по организации технологического процесса в производственных условиях, рассмотрим более подробно каждую стадию процесса. 1. Для штамповки термопластов в твердом состоянии всегда требуется исходная заготовка. При изготовлении заготовок используются традиционные методы переработки термопластов через стадию расплава (литье под давлением, экструзия и др.). Экономически целесообразно процесс изготовления стандартного профиля термопласта для будущих заготовок проводить на стадии (вместо) гранулирования полимера. В литературе [6-9] описываются процессы, объединяющие литье под давлением и штамповку. При этом вначале получают заготовку, близкую по форме к изделию, а затем после охлаждения до температуры штамповки осуществляют процесс объемной штамповки для повышения физико-механических показателей изделия. В случае изготовления заготовки термопласта из стандартного готового профиля, выпускаемого промышленностью (фторопласт-4, капролон, СВМПЭ и др.), необходимо особое внимание обратить на вопрос рационального подбора стандартного профиля полимера в состоянии поставки для того, чтобы максимально снизить отходы дорогостоящего полимера. С этих позиций следует решать вопросы предварительного раскроя материала на заготовки, избегая, по возможности, операции механической обработки материала со снятием стружки. При этом необходимо как можно шире использовать различные дисковые ножи, штампы, оправки, работающие на сдвиг. 2. При традиционных способах нагрев объекта происходит по поверхности. Если теплопроводность объекта низка, что имеет место у диэлектриков, то термообработка объекта происходит медленно, с локальным перегревом поверхности нагрева, отчего возможно подгорание этой поверхности, возникновение внутренних механических напряжений. На основании полученных результатов предлагается использовать горизонтальные термокамеры туннельного типа с автоматической выгрузкой заготовок термопласта и установленным в качестве нагревательного элемента СВЧ-генератором. Такая термокамера с СВЧ-генератором должна быть установлена рядом с прессом. 3. Наиболее ответственной стадией технологического процесса является штамповка изделий в прессформе. При этом необходимо тщательно следить за температурным режимом прогрева заготовки и технологической оснастки, а также величиной удельного давления штамповки.
Рекомендуется использовать ручные (съемные) прессформы с небольшой гнездностью. Нагрев оснастки и заготовки может быть осуществлен как в отдельном шкафу, так и при помощи автономного электронагревателя с автоматическим регулированием температуры. Целесообразно использовать стандартные нагревательные пакеты со съемными прессформами. Нагретую заготовку термопласта следует, по возможности, быстро поместить в прессформу и произвести смыкание пресса.
Похожие диссертации на Кинетика и интенсификация процессов твердофазной технологии обработки модифицированных полимер-углеродных материалов на основе СВЧ-нагрева
