Прессование – важнейший метод формования изделий из термореактивных материалов. Иногда он применяется и для изготовления изделий из термопластов. Сущность метода состоит в переводе твердого в исходных условиях пресс-материала в вязкотекучее состояние и дальнейшем формовании изделия из расплава под действием тепла и давления. При этом в результате химической реакции отверждения, протекающей при повышенной температуре, происходит образование изделия, которое, как правило, обладает устойчивостью формы при температуре прессования и не требует охлаждения перед извлечением из оснастки.
Под прессованием обычно подразумевается прямое (или компрессионное) прессование, когда загрузка материала, его формование в изделие и отверждение осуществляется непосредственно в оформляющей полости пресс-формы (рис. 1, а). Кроме того, широко применяется также литьевое (или трансферное) прессование (рис. 1, б). В этом случае пресс-материал загружается в загрузочную камеру формы, где расплавляется, а затем расплав движением пуансона инжектируется через литниковую систему в формующую матрицу.
Прессование осуществляется на специальных прессах – главным образом гидравлических или реже пневматических – в обогреваемых пресс-формах. Технологический процесс прессования складывается из следующих основных операций: подготовка и дозировка пресс-материала; предварительный подогрев; загрузка в форму и прессование; извлечение готового изделия и его механическая обработка.
Основной морфологической разновидностью сырья являются пресс-материалы, которые в зависимости от метода приготовления могут поставляться как в виде порошков различной зернистости, так и в гранулированном виде с размером гранул 3-5 мм. Порошки обладают хорошей сыпучестью, легко поддаются холодному таблетированию.
Рис. 1: Схемы: а – прямого (компресионного) и б – литьевого (трансферного) прессования:
1 – пуансон; 2 – пресс-материал; 3 – матрица; 4 – выталкиватель; 5 – изделие; б – загрузочная камера; 7 – литниковая система
Кроме перечисленных материалов широко применяются волокиты, в которых в качестве наполнителя используются различные волокна как органического (хлопчатобумажные, рами, сизаль, синтетические и др.), так и минерального (стеклянное, базальтовое, асбестовое и т. п.) происхождения. Волокиты выпускаются в виде крупно-комковатой с трудом поддающейся размельчению массы (АГ-4В), склонной к слеживанию; перед переработкой их могут жгутировать.
К прессовочным изделиям относятся: листовые гетинакс, текстолит, стеклотекстолит и другие материалы, в которых наполнителем являются различного рода бумаги, маты, ткани, пленки и т. п. Широкий ассортимент связующих и наполнителей привел к созданию большого числа пресс-материалов, из которых можно получать изделия с самыми различными свойствами.
Подготовка пресс-материала к переработке
Подготовка пресс-материала к переработке состоит в определении его технологических характеристик и доведении их при необходимости до требуемых значений путем сушки, измельчения и других операций.
Во избежание снижения текучести сушку пресс-порошков (для удаления избыточной влаги и летучих) целесообразно проводить при умеренных температурах под вакуумом, используя для этого полочные или барабанные вакуум-сушилки.
Дозировка
Существует несколько способов дозирования пресс-порошков: объемный, массовый и штучный. В первом случае необходимое для запрессовки количество материала отбирается с помощью сосуда или бункера известного объема, во втором случае навеска материала взвешивается, в третьем – берется определенное число таблеток известной массы. Наиболее точным является второй метод, наиболее простым и удобным – третий. Первый метод сохраняет свое значение лишь при использовании многогнездовых форм, где его применение в некоторых случаях более удобно. Важный недостаток объемной дозировки – низкая точность, связанная с различием объемной плотности разных партий материала. Это вызывает необходимость изменения мерного объема, что на практике достаточно сложно.
Недостаток массовой дозировки состоит в ее трудоемкости и длительности, однако разработка простых и надежных электронных весовых дозаторов позволяет в значительной степени преодолеть этот изъян. С другой стороны, такая дозировка позволяет свести к минимуму потери пресс-материала, а в ряде случаев, особенно при использовании пресс-форм закрытого типа, точная дозировка служит важнейшим условием получения качественных изделий. Штучная дозировка очень проста и удобна, она значительно улучшает условия работы (резко снижает запыленность), повышает производительность, позволяет уменьшить объем загрузочной камеры, а следовательно, и размеры пресс-форм, и существенно ускорить разогрев уплотненного пресс-материала в форме. Важнейшим преимуществом штучной дозировки является возможность использования высокочастотного подогрева пресс-материала.
Пожалуй, единственным, но весьма существенным ее недостатком является необходимость включения в процесс производства таблетмашин, и связанное с этим увеличение капитальных затрат. В некоторых конструкциях прессов предусмотрено таблетирование материала при обратном ходе верхнего пуансона, однако такие конструкции еще недостаточно совершенны.
Таблетирование
В переработке пластмасс под таблетированием понимается процесс холодного уплотнения пресс-материала перед его последующим горячим прессованием. Желательно, чтобы таблетка была по форме и массе близка получаемому изделию, что существенно повышает его качество. Поэтому форма таблетки может быть практически любой. Например, в производстве тормозных колодок волокнит предварительно обрабатывают, получая таблетки сложной геометрической формы в виде кольцевого сектора прямоугольного сечения с установленными в нем армирующими вставками. Такой прием используют при прессовании деталей ответственного назначения.
В обычной практике получают таблетки цилиндрической формы диаметром от 10 до 200 мм. В настоящее время существует несколько типов таблеточных машин — гидравлические и механические роторные. Производительность таблетмашин составляет от 60 до 700 кг/ч, усилие таблетирования — от 65 до 500 кН. Роторные машины применяют главным образом для прессования мелких таблеток (до 50 г), тогда как на гидравлических машинах можно изготавливать и таблетки крупных размеров.
Таблетпрование — процесс холодного прессования, при котором пресс-материал (пресс-порошок) загружается в матрицу и сдавливается пуансонами, один из которых может быть неподвижным (рис. 2, а). Возможность регулировки хода пуансона позволяет изменять при необходимости массу таблеток и степень уплотнения пресс-порошка. На практике особенно удобны таблетки одного диаметра с различной высотой.
Рис. 2. Схемы таблетирования: а — одностороннее; б — двухстороннее; в — с «плавающей» матрицей;
1 — верхний пуансон; 2 — нижний пуансон;3 — пружина
В процессе уплотнения в результате внутреннего трения в пресс-порошке происходит существенное уменьшение давления по высоте таблетки и, как следствие, степень уплотнения таблетки по высоте оказывается различной. Это является причиной нерав-ноплотности таблетки, затрудняет ее высокочастотный прогрев и ухудшает растекание пресс-материала в форме. Лучшими свойствами обладают таблетки, полученные на ротационных таблетмашинах, где в прессовании участвуют два пуансона — верхний и нижний (рис. 2, б).
Для облегчения процесса таблетирования в пресс-порошки вводят небольшие количества смазок (стеараты). Трудно таблетируются материалы с волокнистыми наполнителями, иногда с этой целью применяют гидравлические прессы, на которых материал уплотняется жгутированием, однако такой прием мало производителен. Для таблетирования применяются роторные машины серии МТ и гидравлические горизонтальные машины серии 2700.
Считается, что гидравлические таблетмашины перспективнее ротационных, поскольку позволяют перерабатывать практически любые пресс-материалы, в них используются только возвратно-поступательные движения небольшого числа подвижных деталей, что способствует долговечности машин, а давление таблетирования может достигать 100 МПа, то есть примерно вдвое выше, чем у таблетмашин механического действия.
Предварительный нагрев
Предварительный нагрев позволяет сократить время нахождения материала в пресс-форме и соответственно сокращает длительность цикла прессования. Предварительный подогрев должен осуществляться достаточно быстро, чтобы процесс отверждения не успевал пройти за это время слишком глубоко. С другой стороны, из тех же соображений материал необходимо пропреть во всем объеме и, по возможности, равномерно, не перефевая его поверхностных слоев. Для предварительного подогрева используют термостаты, нагревательные шкафы с циркуляцией влажного воздуха, инфракрасные нагреватели, высокочастотные нагревательные установки.
Из известных способов этим требованиям наиболее полно удовлетворяет высокочастотный подогрев, который основан на превращении энергии электрического поля высокой частоты в тепловую в результате диссипации энергии при колебательном движении полярных групп. Материал помещается между пластинами, например, высокочастотного генератора (ГТВЧ), где и происходит его равномерный по объему таблеток разогрев.
Темп нагрева в поле ТВЧ зависит от диэлектрических характеристик пресс-материала и, прежде всего, от значения тангенса угла диэлектрических потерь и, в меньшей степени, от его диэлектрической проницаемости.
Целый ряд материалов, особенно на основе кремнеорганических связующих, отличающихся высокими диэлектрическими свойствами, а также полиолефины, фторопласты и другие не удается нагревать токами высокой частоты. Из пресс-материалов наиболее эффективен нагрев новолачных пресс-материалов и аминопластов, менее эффективен нагрев резольных материалов. Практически, для нагрева материалов на предприятиях применяются генераторы типа ВЧ, работающие на частотах 40-80 кГц и с мощностью ТВЧ 3,7-12 кВт.
Прессование — это процесс, в котором материал, находящийся под давлением в нагретой форме, расплавляется, заполняет все формующее пространство и выдерживается до полного отверждения. Выдержка начинается с момента создания давления прессования в сомкнутой форме и заканчивается в момент подъема пуансона и размыкания формы для удаления полученного изделия. Выдержка зависит от скорости отверждения пресс-материала, температуры формы и температуры предварительного подогрева материала, а также от вида изделия и его толщины.
Поскольку различные свойства материала достигают своих максимальных значений при разных величинах времени отверждения, то их выбор в известной степени определяется назначением прессуемых изделий. С другой стороны, увеличение продолжительности выдержки не всегда ведет к дальнейшему улучшению свойств, а иногда дает и противоположный результат. Кроме того, это наиболее продолжительная операция цикла прессования, и потому снижение выдержки имеет большое значение для повышения производительности процесса.
При прессовании изделий, которые необходимо охлаждать под давлением (такие, как изделия из слоистых пластиков), выдержка при охлаждении учитывается отдельно, ее время может быть очень значительным из-за низкой теплопроводности и быстро возрастает с ростом толщины прессуемых изделий.
Подпрессовки
Формообразование изделий из пресс-материалов происходит в результате реакции поликонденсации, происходящей в связующем и сопровождающейся выделением поликонденсационной воды. При температуре прессования (160-180 °С) такая влага находится в газообразном состоянии. Одновременно из связующего могут выделяться и остатки непрореагировавших мономеров (фенол, формальдегид, резол). Если толщина стенки изделия более 1-2 мм, а масса изделия существенна, то образовавшиеся в этом случае летучие значительны по количеству, и их необходимо удалять, поскольку в противном случае они, образуя в изделии микропустоты, будут ухудшать его свойства. Для удаления летучих при прессовании выполняют так называемые подпрессовки, то есть периодическое кратковременное размыкание-смыкание пресс-формы. Подпрессовки могут быть высокими и низкими, ранними или поздними — в зависимости от массы изделия, химических особенностей процесса отверждения, количества летучих и пр.
При извлечении готовых изделий из пресс-формы они обычно имеют высокую температуру (160-200 °С). Охлаждение изделий происходит вне формы на воздухе. Для предотвращения коробления крупных изделий под влиянием остаточных напряжений их охлаждают в специальных зажимных приспособлениях или на оправках. Крупногабаритные изделия с большой разнотолщинностью иногда после прессования подвергают дополнительной термообработке или нормализации в термостатах при температурах 120-150 °С в течение 2-4 часов. Такая термообработка способствует более полному и равномерному завершению химической реакции отверждения, что способствует повышению физико-механических свойств, твердости, а также однородности материала.
Нормализация состоит в плавном медленном охлаждении изделий после непродолжительной выдержки при повышенной температуре и способствует более полной релаксации напряжений в материале, вызванных неравномерностью нагрева и неодинаковой скоростью отверждения пресс-материала.
Механическая обработка изделий состоит в придании им свойств, предусмотренных их конструкцией и потребительскими требованиями. Эта обработка состоит в раскрытии непропрессованых отверстий, удалении острых кромок, зазубрин, фата, зачистки литниковых выступов, шлифовании и полировании поверхностей. Все перечисленные действия осуществляются механическим способом с помощью галтовочных барабанов, сверлильных и шлифовальных станков, резьбонарезных приспособлений. Большинство операций выполняется вручную или с применением простейших механизмов, поэтому они крайне непопулярны у работников и вследствие этого неоправданно дороги. Для механической обработки изделий массовых тиражей, типа детали электрических патронов, используют автоматические линии, каждая из которых специализирована на одну разновидность изделий.
