Характеристика и свойства конструкционных полимерных материалов

Для производства профильно-погонажных деталей из вспененных пластмасс наиболее рациональным является метод экструзии, не требую­щий дорогостоящей оснастки. Сущность его заключается в следующем. Композиция, содержащая полимер и газообразователь, загружается в ци­линдр и под действием вращающегося червяка уплотняется, перемешается по цилиндру экструдера, нагревается и размягчается. При достижении температуры разложения порофора происходит выделение газа, который частично растворяется в расплаве под действием давления в экструдере, частично распределяется в нем в виде пузырьков. При выходе через голов­ку давление в композиции попадает растворенный газ начинает образовы­вать новые пузырьки. Вес пузырьки газа, содержащегося в композиции, начинают быстро увеличиваться в размерах, и происходит вспенивание композиции.

Для получения изделий с мелкоячеистой равномерной текстурой в композицию вводят путем механического смешивания инициаторы вспе­нивания, в качестве которых применяют специальные добавки в количест­ве 1... .4%. инициаторы вспенивания могут быть жидкими (спирты, новолачные смолы и т.д.), высоковязкими (ударопрочный или эмульсионный полистирол) и мелкодисперсными минеральными веществами (тальк, алюминиевая пудра, лимонная кислота. Процесс производства погонажных элементов из вспененных пластмасс регулируется в основном по длитель­ности пребывания расплава в зоне термического разложения порофора и температуре в головке.

При экструзии вспененных термопластов в цилиндре экструдера имеются три зоны: 1) разогрева материала до температуры газообразова­ния: 2) газообразования; 3) растворения и диспергирования газа в расплаве полимера. В зависимости от перерабатываемого материала и применяемых режимов размеры этих зон различны.

При экструзионной переработке вспененных материалов необходимо соблюдать следующие основные условия: давление в начале зоны газооб-

разования должно быть достаточным, чтобы не допустить выделения обра­зующихся газов через загрузочное устройство экструдера, а в зоне газооб­разования - в пределах 4....5 мПа; высокие давления от начала зоны газо­образования до головки, чтобы предотвратить преждевременное вспенива­ние материала; червяк экструдера должен быть короткокомпрессионным со степенью компрессии не менее трех; конструкция головки должна обес­печивать равномерное давление на формируемый материал; длина выход­ного приспособления должна быть минимальной; температура на выходе 2О...ЗО°С ниже температуры расплава в зоне формирования.

При экструзионном методе вспенивания можно полностью автома­тизировать процесс непрерывного получения погонажных изделий любого профиля, различной плотности. Регулирование плотности производят путем изменения содержания профона в композиции давления или температуры в головке, длительности пребывания расплава в экструдере.

Механические показатели вспененных пластмасс зависят в основном от вида полимерной основы и структуры материала (открыто- или закры-топористая), размера газовых ячеек и толщины их полимерных стенок. Эти параметры обусловливают величину кажущейся плотности материала, ко­торая может колебаться в интервале 0,02....0,9 г/куб.м. Вспененные пласт­массы с кажущейся плотностью 0,5....0,9 г/куб. содержат менее 50% газо­вой фазы. При увеличении кажущейся плотности повышаются их прочно­стные и упругие характеристики.

НПО «Полимерсинтез» разработана технология получения профиля стенки ящика сечением 4,5 кв.см методом экструзии из вспененной компо­зиции на основе поливинилхлорида (ПВХ) с добавлением 0,18....0,25 мас. ч. порофора (ЧХЗ-21) и других целевых добавок на оборудовании, ис­пользуемом для экструзии монолитного профила. Экономия ПВХ состав­ляет 25...30%.

Выпуск погонажных профильных деталей из вспененных пластмасс организован на Ml 1ФО «Мосфурнитура», ВПО «Центромебель», что по­зволило снизить расход материалов в среднем на 30% и получив эконо­мический эффект 0.1 тыс.р. на 1 тыс. пог. м профиля.

НАПОЛНЕННЫЕ ПЕНОПЛАСТЫ

В последние годы в России и за рубежом все большее распростране­ние находят наполненные пенопласты. Введение наполнителей не только обеспечивает снижение расхода дефицитных и дорогостоящих полимеров, но и способствует повышению прочности и стойкости к воздействию вы­соких температур и влаги, снижению в ряде случаев склонности к старе­нию и улучшению других показателей получаемых изделий.

В качестве наполнителей применяют измельченные отходы пенопластов и пластмасс, древесную муку и стружку, крахмал, песок, стеклово­локно и т.д.

Для повышения прочности пенопластов предпочтительно увеличи­вать прочность их поверхностных слоев. Наибольший - эффект дает приме­нение волокнистых наполнителей (например, стекловолокна), вводимого, как правило, в виде коротких волокон, Пенопласты, наполненные стекло­волокном, имеют боле высокие физико-механические показатели, мень­шую усадку и исключается образование трещин. Оптимальное содержание наполнителей зависит от плотности пенопластов: чем выше плотность, тем большее количество наполнителя следует вводить.

В отечественной мебельной промышленности внедрено производст­во каркасов и других деталей мебели из наполненной пенополистирольной композиции (ПМО «Краснодар», Шумерлинский комбинат автофургонов). Композиция содержит суспензионный вспенивающийся полистирол ПСВ (30. ...40%) и отходы прессового полистирольного пенопласта ПС-1 (70.... 60%).

Детали, изготовленные из наполненной пенополистирольной компо­зиции, имеют следующие физико-механические показатели: кажущуюся плотность не менее 200 кг/куб.м, предел прочности при статическом изги­бе не менее 1 мПа. Применение наполненной пенополистирольной компо­зиции позволяет в 2,5 раза увеличить выпуск каркасов и деталей кресел из имеющихся фондов пенополистирола.

Кроме того, цикл формирования из наполненных композиций при­мерно в 2,5 раза короче цикла формирования аналогичных деталей из чис­того пенополистирола.

В ВПКТИМе разработана технология изготовления методом литья под давлением деталей мебельной фурнитуры из наполненной композиции на основе полипропилена и полиэтилена взамен более дефицитного ударо­прочного полистирола. В качестве, наполнителей рекомендуется мел, тальк, каолин и другие добавки. При их введении увеличивается прочность материала при статическом изгибе и сжатии, повышается твердость, стой­кость к растрескиванию и старению и значительно уменьшается усадка и коробление готовых изделий. Наполненная композиция гранулируется и перерабатывается на обычных отечественных или импортных термопла-ставтоматах без каких-либо конструктивных изменений оборудования.

Режимы переработки наполненных композиций на основе полиэти­лена и полипропилена несколько отличаются от режимов переработки не-наполненных материалов. Так, для поддержания требуемой текучести композиции необходимо увеличение температуры по зонам обогреваемого цилиндра на 10....15 °С. давление литья практически то же.

Детали, полученные из наполненных полипропилена и полиэтилена, отличаются большими изотропностью и точностью размеров, чем из нена-полненных аналогичных материалов.

Опытное внедрение технологии изготовления деталей мебели из на­полненной композиции на основе полиэтилена и полипропилена осущест­влено на МПФО «Мосфурнитура». Экономический эффект составляет в среднем 0,25 тыс.р. на 1т композиции.

НАСТИЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для производства мягкой мебели в настоящее время широко приме­няются материалы на основе газонаполненных полимеров, которые по своим эксплуатационным и технологическим свойствам не уступают, а в большинстве случаев превосходят ранее применявшиеся традиционные материалы. Для изготовления мягких элементов мебели в основном при­меняются пенорезина (губчатая резина из латекса), пенополиуретан на ос­нове сложных полиэфиров (поролон) и на основе простых полиэфиров (ППУ). Широкое внедрение этих материалов позволило не только улуч­шить архитектурно-художественные формы мебели, но и создать эконо­мичные по материало - и трудоемкости конструкции изделий, улучшить условия труда, повысить культуру производства мягкой мебели.

Современные модели мягкой мебели комфортабельны, включают де­тали сложной конфигурации, четкость форм которых обеспечивается при­менением формованных эластичных элементов из пенополиуретана на простых полиэфирах и пенорезины.

Широко стали применятся беспружинные элементы, в процессе из­готовления которых не используется пружинный блок, что резко снизило трудозатраты и дало большую экономию металла, расширились возможно­сти механизации процессов производства мягкой мебели.

ПЕНОРЕЗИНА

Изготавливается предприятиями химической промышленности из натурального («квалитекс») и синтетического бутадиен-стирольного ла­текса (СКС-С), отличающихся высоким содержанием сухого вещества (60....70%), хорошей текучестью и низким поверхностным натяжением.

Смеси для изготовления пенорезины содержат вспенивающий агент (20%-ный раствор калиевого мыла олеиновой кислоты или 35....40%-ный раствор аммониевого мыла синтетической жирной кислоты), вулканизи­рующую систему (серу, ультраускорители вулканизации - меркаптобен-зтиазолят и диэтилдитиокарбомат цинка), желатинизирующие агенты (дисперсию Na2SiF6, 10....20%-ный раствор хлористого аммония, окись цинка). Для получения более равномерной структуры пенорезины в латексную смесь обычно вводят вторичные желатинизирующие агенты (ди-фенилгуамидин, соли четвертичных пиридиновых или аммониевых осно­ваний, амины и др.). Кроме того, в нее добавляют наполнители (каолин, мел, тальк и т.п.) и пластификаторы (вазелиновое масло).

В мировой практике применяются два способа изготовления губчатых резин из латексов (пенорезин): способ фирмы «данлоп» и способ Талалая. Эти способы различаются в основном методами получения латексной пены и её желатинизации и вулканизации. Физико-механические пока­затели пенорезин, получаемых этими способами, также несколько различ­ны.

Губчатые резины выпускают в виде блоков пластин различных раз­меров или в виде формованных изделий. Блочную пенорезину изготавли­вают на оборудовании непрерывного действия, в котором латексную пену заливают на движущийся конвейер, пропускают через профилирующие уст­ройства, а затем желатинизируют и вулканизируют.

Формованные изделия изготавливают в специальных формах. При формовании изделий по способу «Данлоп» проводят механическое вспе­нивание латексной смеси с соотношением воздушной и жидкой фаз (крат­ностью пены) примерно 4:7, вводят желатинизирующие добавки, заполня­ют пеной формы с последующей желатинизацией и вулканизацией в среде насыщенного пара или горячего воздуха при температуре 130 — 140°С.

При формировании изделий из пенорезины по способу Талалая про­водится механическое вспенивание латексной смеси до кратности пены 2:3, после чего в неё вводят желатинизирующий агент и заливают в форму, заполняя лишь часть её объема. Затем в форме создают вакуум, в результа­те чего пена расширяется и заполняет форму. После этого пену заморажи­вают при температуре -20°С и коагулируют углекислым газом. Образо­вавшийся пенистый гель нагревают и вулканизируют.

Пенорезину выпускают с перфорацией и без перфорации, причем диаметр перфорации в пенорезине, изготовленной по методу «Данлоп» должен быть не больше 45 мм., а по методу Талалая - не больше 3 мм. В связи с тем, что пенорезина содержит на 90.. ..95% сообщающиеся поры, она обладает хорошей воздухопроводностью, что имеет большое значение при применении её в качестве настилочного материала при производстве мягкой мебели.

Основные физико-механические показатели пенорезины, получен­ной по методу «Данлоп», приведены ниже.

Твердость. МПа 0.003... .0,016

Кажущаяся плотность, г/кв.см не более 0,10...0,12

Эластическое восстановление, % не менее 81,0

Предел прочности при разрыве, Н/кв.м не менее 0.294'10

Остаточная деформация после многократного сжатия % не более 5.0

Влажность, % не более 5.0

Коэффициент старения по твердости 0.9. ...1.4

Кажущаяся плотность пенорезины по методу Талалая - не более 0,03*...0,08 кв.см.

Таким образом, показатели твердости изменяются в широких пре­делах и полностью удовлетворяют требованиям мебельной промышленно­сти. Для более эффективного использования пенорезины и повышения комфортабельности изделий мягкой мебели рекомендуется выбирать пе­норезину по плотности в зависимости от функционального назначения элементов. Так, рекомендуется применять при изготовлении боковин и спинки кресла пенорезину, изготовленную по способу Талалая с кажущей­ся плотностью 0,03... .0,06 г/куб.см, при изготовлении сидений - 0,08 г/куб.см.

При формировании изделий из пенорезины, получаемой по методу «Данлоп», допускается усадка до 20%, что приводит к значительным от­клонениям заданных размеров изделий. В связи с тем, что величина усадки пенорезины в различных партиях колеблемся в значительном диапазоне, габарит формы невозможно обосновать. Поэтому на практике получают изделия то меньше, то больше требуемых размеров, что приводит к необ­ходимости дополнительных трудовых и материальных затрат при изготов­лении изделий мебели. Отклонение размеров при формовании изделий из пенорезины, полученной по методу Талалая, не превышает 5%.

Недостатком пенорезины, получаемой по методу «Данлоп», является её высокая гигроскопичность и устойчивый неприятный запах. У губчатой резины, изготовленной по методу Талалая, эти недостатки выражены в значительно меньшей степени.

В связи с тем, что по физико-механическим и эксплуатационным свойствам пенорезина, полученная по методу Талалая, превосходит пено­резину, изготовленную по методу «Данлоп», и приближается к пенополиу­ретану на простых полиэфирах, в США и странах Западной Европы свыше 90% объема пенорезины, применяемой в производстве мебели изготавливается по методу Талалая. В отечественной мебельной промышленности из объема потребляемой пенорезины на долю пенорезины, полученной по способу Талалая, приходится примерно 10%.

ЭЛАСТИЧНЫЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНЫ

Пенополиуретаны являются наиболее распространенными и техно­логичными пенопластами. Мировое потребление их в 1985 году составило

4,2 млн.т, в том числе в Западной Европе 2,8 млн.т. пенополиуретаны раз­работаны и начали применяться сравнительно недавно: жесткие - в конце 40-х, эластичные -- в середине 50-х годов; в настоящее время они широко применяются во многих отраслях промышленности, особенно в автомоби­ле- и самолетостроении, в мебельной промышленности и др.

Свойства пенополиуретанов определяются в основном рецептурой и способом получения. Прочностные показатели эластичного ППУ зависят от плотности материала, размера и формы ячеек.

Процесс образования пенополиуретановой системы проходит в ре­зультате протекающих одновременно двух реакций: желатинизации

О О

OCN - R - NCO + НО - R' - ОН [ - О - R' - С - NHR - NYC]

и вспенивания

О О

OCN R - NCO + Н2 [NH - С - NH - R - NH - С] + СО2.

Качество пенополиуретана зависит от протекания этих реакций, ин­тенсивность которых должна быть примерно одинаковой. Если доминиру­ет реакция вспенивания, то образующаяся пена вспенивается до того, как произойдет её желатинизация, и снижается прочность полученного мате­риала. Если желатинизация происходит более интенсивно, образуется плотная пена, склонная к усадке.

Полиэфиры, входящие в состав полиуретановых композиций, обла­дают поверхностно-активными свойствами и значительно различаются по активности в зависимости oт функциональности - молекулярного веса, со­держания гидроксильных групп. Свойства полиэфиров оказывают большее влияние на желатинизацию системы, чем на вспенивание. Например, из­менение содержания гидроксильных групп в полиэфире на 10% значитель­но изменяет скорость желатинизации при образовании эластичных пено­полиуретанов, тогда как скорость вспенивания не меняется.

Функциональность изоцианатов (содержание изомеров, кислотность) влияет как на скорость желатинизации, так и на скорость поднятия пены. Потом при разработке рецептур пенополиуретановых композиций учи­тывается реакционная способность полиэфиров и изоцианатов, и они при­меняются в таких соотношениях, которые обеспечивают равномерность протекания реакций желатинизации и вспенивания.

Для получения эластичных пенополиуретанов применяют простые и сложные полиэфиры, изоцианаты, катализаторы, поверхностно-активные вещества, вспенивающие агенты и другие добавки. В данной работе опи­саны полиуретаны па простых полиэфирах, как наиболее перспективные пастилочные материалы.

В качестве катализаторов при производстве эластичного ППУ на простых полиэфирах холодного формирования применяют в основном со­единения олова (октоат олова), которые обеспечивают протекание реакций в направлении образования полиуретанов, ускорение реакции между изо-цианатами и концевыми гидроксильными группами простых полиэфиров по отношению к реакциям между изоцианатами и водой. При этом катали­заторы более эффективно подавляют конкурирующие реакции при низких температурах, т.е. в начале экзотермического процесса. Для регулирования скорости вспенивания и высоты подъема пены к октоату олова добавляют третичные амины.

Для изготовления эластичных пенополиуретанов с применением вспенивающего агента (хладона) требуются более активные аминные ката­лизаторы. В этом случае используют катализатор дабко, бисдиак-тламилоалкиловый эфир или алифатический третичный полиамин.

Для сокращения цикла формования и повышения при этом произво­дительности оборудования часто стремятся увеличить дозу катализатора, чтобы ускорить полимеризацию. Однако предельно допустимое содержа­ние катализатора в реакционной композиции лимитируется временем её желатинизации. При высоком содержании катализатора реакция начинает­ся менее чем через 2 с, поэтому даже при применении самых современных заливочных машин система не успевает целиком заполнить форму вслед­ствие быстрой потери текучести. Поэтому для решения этой проблемы на­чиняют применять многокомпонентные катализаторы пролонгированного действия, постепенно высвобождающие активные группы по мере повы­шения температуры реакционной смеси. Потребность в таких катализато­рах особенно возросла с внедрением производства высокоупругого блоч­ного ППУ холодного отверждения. В качестве таких катализаторов приме­няют растворы солей третичного амина в органическом растворителе.

Средняя молекулярная масса эластичных ППУ 2500 ... 20000, т.е. значительно больше, чем жестких пенополиуретанов. Свойства ППУ, по­лученных на основе простых и сложных полиэфиров, по целому ряду по­казателей различны. В мебельном производстве за рубежом, особенно в США, Западной Европе и Японии, в настоящее время в основном используется пенополиуретан на простых полиэфирах, обладающий лучшими по­казателями физико-механических и эксплуатационных свойств одним из важных преимуществ этого материала является возможность получения из него формованных элементов любой конфигурации.

Впервые формованные элементы из ППУ на простых полиэфирах холодного формования для изготовления изделий мягкой мебели примени­ли в 1967г. итальянские и западногерманские мебельные фирмы. В России при производстве мягкой мебели также достаточно широко используется пластичный ППУ на простых полиэфирах, однако объемы его потребления ниже, чем поролона (ППУ на сложных эфирах). Однако и в отечественной

промышленности наблюдается тенденция роста применения эластичного ППУ на простых полиэфирах холодного формования.

Основные преимущества пенополиуретана на простых полиэфирах как настилочного материала заключаются в возможности изготовления де­талей с различной степенью жесткости в зависимости от функционального применения, хорошей воздухопроницаемости, высокой упругой деформа­ции, длительной стабильности свойств в процессе эксплуатации.

По упругой деформации ППУ на простых полиэфирах аналогичен пенорезине, о чем свидетельствует узкая петля гистерезиса.

Под воздействием окружающей среды пенополиуретаны, как и все полимерные материалы, изменяют свои свойства, т.е. стареют. Стойкость ППУ к старению зависит от состава и степени сшивания ячеек. Наиболее подвержены старению слабосшитые эластичные пенополиуретаны на ос­нове сложных полиэфиров. Эластичные ППУ в процессе старения стано­вятся вначале более жесткими. Установлено, что при старении свойства пенополиуретанов изменяются в основном в поверхностном слое вследст­вие возникающих внутренних напряжений при относительной стабильно­сти свойств внутренних слоев.

При характеристике токсических свойств пенополиуретанов следует различать токсичность в процессе их производства и в процессе эксплуа­тации. Токсичность пенополиуретанов в процессе их получения обуслов­лена токсичностью некоторых исходных компонентов, поэтому при изго­товлении деталей мебели из эластичного пенополиуретана или получении блочного ППУ необходимо строго соблюдать требования техники безопасности. После завершения процесса отверждения и установленной тех­нологической выдержки ППУ не токсичны.

При горении ППУ выделяются токсичные газы (цианистый водород, угарный и углекислый газы). При свободном горении образуется гораздо меньше цианистого водорода, чем в процессе сгорания ППУ при отсутст­вии воздуха, поэтому пенополиуретаны не относятся к высокотоксичным материалам. При горении с отсутствием воздуха при температуре пример­но 500°С выделяется значительное количество цианистого водорода, кото­рый адсорбируется частицами дыма. При свободном горении ППУ образу­ется низковязкая масса, удерживающая цианистый водород, благодаря че­му он успевает разложиться, что приводит к снижению токсичности про­дуктов сгорания ППУ. Пенополиуретаны холодного формования не явля­ются быстрозагорающимися материалами, что делает перспективным их использование в ряде отраслей промышленности, в том числе и мебельной.