улучшение технологических свойств пластических масс

Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС В
ПРОИЗВОДСТВЕ ХУДОЖЕСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
асп. Обрезкова Д.Г., д.т.н., проф. Ершов М.Ю.
МГТУ «МАМИ»
[email protected], (495)398-90-81
Все большее распространение получают художественные изделия из пластмасс. Такие
изделия производятся в виде миниатюрной настольной скульптуры или предметов
декоративно-прикладного искусства. К группе декоративно-бытовых изделий относятся
пудреницы, бижутерия, украшения и рамки для фотографий. Изделия из пластмассы
изготавливаются главным образом по литейной технологии: способом свободной заливки
или под давлением. Отливки подвергаются ручной обработке: прорабатываются мелкие
детали, зачищаются неровности, потом шлифуются и полируются. При производстве
художественных изделий методом литья используются в основном следующие пластические
массы: жидкие пластмассы (полиуретановые смолы), эпоксидные, винилэфирные, фенолформальдегидные, акриловые и полиэфирные смолы.
Пластмассовые изделия приобретают все большую популярность благодаря тому, что
они более просты в производстве. Особое значение имеет способность пластмасс
окрашиваться в любой цвет в процессе производства. Можно получать изделия от
прозрачных или слегка окрашенных в различные нежные тона до насыщенных красочных
предметов и даже сложно-окрашенных, со специальными эффектами и имитациями под
различные материалы. В отдельных изделиях могут сочетаться различные по фактуре и
цвету пластмассы.
Рисунок 1 - Изделия из пластмасс
Главное же качество пластмассовых художественных изделий - это красивый внешний
вид без дефектов. Но на практике получить такое изделие трудно, неизбежно попадающие
пузырьки воздуха остаются в отливке, образуя пустоты, раковины, непролитины, ухудшают
оптические свойства. Также некоторые проблемы могут возникнуть при обработке и
эксплуатации пластиковых изделий. Одним из перспективных направлений в науке о
полимерах и материаловедении последних лет является получение пластических масс,
обладающих комплексом улучшенных свойств. Для достижения заданных физических и
технологических свойств в них вводят армирующие элементы (волокна) или наполнители,
пластификаторы, красители, процессинговые добавки антистатики и другие.
1. Наполнители. Наполнители - это прежде всего обычные неорганические
минеральные порошки: тальк, асбест, белая сажа, мел, слюда, оксиды металлов, технический
углерод. Реже
применяются органические наполнители: древесная мука, лигнин.
Наполнители добавляются для обеспечения
ряда физических, механических
технологических, теплофизических и других свойств материалов, для улучшения
обрабатываемости, жесткости, размерной стабильности. Они способствуют повышению
вязкости, размерной стабильности изделий, снижению технологической усадки. Также
наполнители значительно удешевляют стоимость материала. Но использование наполнителя
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
61
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
– не прихоть и не попытка сэкономить, наполнитель улучшает смачиваемость литьевым
материалом стенок формы, а значит и повышает качество литья.
Свойства наполненных полимерных композитов определяются характеристиками
полимерной матрицы, дисперсного наполнителя и их взаимодействием на границе раздела. В
результате этого взаимодействия уменьшается подвижность макромолекул и их сегментов в
граничном слое, что приводит к повышению температур стеклования и текучести. [1]
Для успешного применения наполнителей они должны удовлетворять некоторым
общим требованиям: хорошая смачиваемость и растворимость в массе полимера,
химическая и термическая стойкость, низкая стоимость, нетоксичность.
Концентрация наполнителя в полимере также должна контролироваться, так как при
увеличении процентного содержания наполнителя увеличивается и вязкость материала, что
при концентрации более 50% по массе может негативно сказаться на переработке и
эксплуатационных свойствах изделия.
Так как неорганические волокна и наполнители отличаются от органических
полимеров, то часто необходимо применение связующего, чтобы сильнее связать все
компоненты и таким образом улучшить прочность и водонепроницаемость. Наиболее
распространенными являются реактивные органические силаны, такие как винил или
аминопласт - алкилированный триоксисилан.
Другой часто используемый тип метакрилатохром хлорид. Чаще в качестве связующего в армированных пластмассах
применяют ненасыщенные полиэфирные смолы, благодаря их высокой технологичности и
низкой стоимости. Обычно они добавляются перед смешиванием, но иногда непосредственно во время процесса смешивания. [2]
2. Пластификаторы. Пластификаторы представляют собой низкомолекулярную
мономерную жидкость с высокой точкой кипения. Наиболее часто используются эфиры
алифатических и ароматических карбоновых кислот, сложные полиэфиры, соли и эфиры
фосфорной кислоты, соли и эфиры фталевой (ортофталевой) кислоты, прежде всего
диоктилфталат, диметилфталат, дибутилфталат, три(2-этилгексил)фосфат, соли и эфиры
фосфорных кислот. Используются также эпоксидированное соевое масло, минеральные и
растительные масла. Иногда в качестве пластификаторов используют высокомолекулярные
соединения. Такие полимерные смеси хотя и имеют двухфазную структуру, но сохраняют
гомогенность во всем интервале температур эксплуатации.[1] Эффективность
высокомолекулярных пластификаторов ниже низкомолекулярных соединений, однако их
применение позволяет решить необходимые технические задачи.
Пластификаторы значительно влияют на свойства и структуру пластических масс:
позволяют
изменять ударную вязкость,
хрупкость,
технологичность,
тепло-,
электрофизические свойства.
В статье Бобовича Б.Б. «Полимерные композиционные материалы» описано влияние
пластификаторов на полимеры. На рис. 1 приведены термомеханические кривые для
непластифицированного и пластифицированного полимера.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
62
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
Рисунок 2 - Термомеханические кривые непластифицированного (1) и
пластифицированного (2) полимера ( - деформация при сжатии; Т - температура) [1]
Из рисунка видно, что пластификатор уменьшает температуру стеклования и
текучести. Снижение температуры стеклования расширяет температурный диапазон
жидкотекучего состояния полимера, а уменьшение температуры текучести улучшает
растворимость наполнителя и облегчает переработку. Б.Б. Бобович объясняет это тем, что «в
результате взаимодействия пластификатора с сегментами макромолекул увеличивается
подвижность последних и изменяются температуры стеклования и текучести полимера».
На рис. 2 показано влияние пластификаторов на показатель текучести расплава
поливинилхлорида.
Рисунок 3 - Зависимость показателя текучести расплава (ПТР) при 200°С
поливинилхлорида от содержания пластификатора (jпл): 1 - диоктилфталата; 2 диоктилсебацината; 3 - полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС
Видно, что наибольший эффект оказывает пластификатор 3, значительно увеличивая
показатель текучести расплава при наименьшей концентрации по массе. Как правило,
прочностные свойства полимеров с увеличением содержания пластификатора ухудшаются,
что объясняется ослаблением взаимодействия между макромолекулами и увеличением их
подвижности. [1]
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
63
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
Пластификаторы используются в концентрации 20 - 50 % и более от полной массы
используемого материала.
3. Красители. Большинство красителей - неорганические пигменты. Наиболее
распространен диоксид титана. Окиси железа - на втором месте. Более специализированные
пигменты основаны на кадмии, хроме, и молибдене. Для замены неорганических красителей
увеличивается
использование
большого
количества
органических
красителей:
нерастворимых пигментов и растворимых красок.
Красители используются для улучшения эстетических свойств пластмассовых изделий.
В обычных материалах окрашивается только поверхность, в то время как пластмассы
окрашиваются по всей массе.
Изначально в производстве полимеров окрашивание производилось добавлением
концентратов пигментов, основой которых были те же полимерные материалы. Позднее
было разработано и организовано производство суперконцентратов пигментов , создано
более совершенное автоматизированное оборудование для переработки пластмасс. Это
способствовало созданию навого метода окрашивания в процессе изготовления изделий.
В последнее время все чаще используют жидкие красители. Их уникальность
заключается в особых эффектах, которые они создают на поверхности изделий из полимеров.
Это эффект жемчужной, перламутровой, металлической, хромированной или матовой
поверхности.
Непрерывно ведутся исследования по разработке красителей, которые могут
применяться для различных пластмасс. Решаются проблемы плохой растворимости,
неравномерности окраски, невоспроизводимости цвета и плохой цветоотдачи.
Также проводятся научно-исследовательские работы по расширению цветовой гаммы
по созданию рецептур концентратов пигментов на основе новых связующих, являющихся
универсальными для полимерных красок и полимеров, не влияющих на физикомеханические свойства изделия, отличающиеся простотой дозировки и работы.[3]
4. Процессинговые добавки.
Смазки улучшают жидкотекучесть уменьшением вязкости или трения расплава
пластмассы при заливке. Оба способа способствуют более быстрой и экономичной
обработке. Кальций, цинк, и свинцовые стеараты, нефть и воски полиэтилена, и жирный
эфиры и амиды - самые распространенные добавки.
Вещества, способствующие выбиваемости используются в небольших количествах для
облегчения извлечения готового изделия из формы. Наиболее распространены воски,
силиконы, фторуглероды, металлические стеараты, порошковый полиэтилен, слюда, и тальк.
Антиблокирующие добавки предотвращают прилипание во время обработки. Могут
использоваться воски, металлические мыла, поли(виниловый спирт), полиэтилен,
полиамиды, силиконы, полимеры фторуглерода, и неорганические силикаты и кварц.
5. Антистатики. Пластмассы имеет тенденцию накапливать заряд, что во время
обработки может вызвать раздражающее прилипание и даже опасное вспыхивание. Во
время использования это может вызвать накопление пыли. Чтобы уменьшить такое
статическое накопление часто добавляются антистатические агенты. Наиболее
распространенные типы - амины, смеси аммония, органические фосфаты, и эфир
полиоксиэтиленгликоля.[2]
Стоит также сказать, что существуют различные формы выпуска добавок: порошки,
хлопья, бусины, гранулы, пастилки, сферы, эмульсии и жидкости. Большинство добавок
является твердыми телами. Идеальная форма добавки - сферическую форма, гарантирует
высокую гомогенезацию и дисперстность, не проявляют ликвацию в полимере и являются
более подходящими для подачи, дозации и смешивания. Только некоторые добавки являются
жидкостями, они требуют высокого контроля. Последние достижения - это объединение
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
64
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
вязкой жидкости и легкоплавких добавок высокой концентрации в высокопористых
носителях. [4]
Постоянно возрастающие требования к цветовой гамме, качеству, улучшению
физических, технологических, эксплуатационных, эстетических свойств и разнообразию
пластмассовой продукции, способствуют постоянному развитию и совершенствованию
такого сектора производства, как создание добавок для полимерных материалов.
Литература
1. Бобович Б.Б. Полимерные композиционные материалы. [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http://www.ics2.ru/articles/index.php?ELEMENT_ID=5048 - дата публикации
12.11.2008.
2. Rudolph D. Deanin., "Additives in Plastic" [Текст] / Rudolph D. Deanin/ - Environmental
Health Perspectives, pp. 35-39, 1975.
3. МИРОВОЙ РЫНОК КРАСИТЕЛЕЙ ДЛЯ ПОЛИМЕРОВ. [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=1684 - дата обращения
27.04.2011.
4. J. C. J. Bart, Additives In Polymers: Industrial Analysis And Applications. [Текст]
/ J.
C. J. Bart ./ - John Wiley & Sons, Ltd , Chapter 1, pp. 1-11, 2005.
5.
[Электронный
ресурс]
Режим
доступа:
http://www.copyplast.ru/index.php?id=2&sid=1&gid=1&gpn=0#1_1
дата
обращения
30.04.2011.
6. 5. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.sanfarm.ru/tehnakril - дата
обращения 30.04.2011
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
65