Изделий из реактопластов методом прессования

При прямом прессовании термореактивный пресс-матери-ал, испытывая давление, которое передается через пуансон пресс-формы от усилия пресса:

во-первых, превращается в расплав в результате теплопередачи от нагретых формующих поверхностей матрицы и пуансона;

во-вторых, уплотняется и заполняет всю формующую полость пресс-формы;

в-третьих, отверждается в результате образования пространственной сетчатой структуры полимерной матрицы с выделением или без выделения тепла экзотермической реакции отверждения.

Таким образом, прессование можно рассматривать, как процесс нестационарного течения сплошной среды, сопровождающийся химическими превращениями материала, и его можно описать соответствующими уравнениями теплопередачи, гидродинамики и химической кинетики.

В уплотнении исходного пресс-материала в пресс-форме различают три стадии (рис. 3.5):

1. Сближение частиц;

2. Образование компактного тела (частицы сближаются настолько, что между ними возникают силы межмолекулярного и электростатического взаимодействия);

3. Объемное сжатие компактного тела.

Рис. 3.5. Эпюры распределения давления при смыкании пресс-формы

Рис. 3.6. Распределение давления в пресс-материале при прессовании реактопластов: 1 – предварительно не нагретый материал; 2 – материал, нагретый в ГТВЧ; 3 – материал, пластицированный в шнековом (червячном) пластикаторе; OK – начальный период смыкания пресс-формы; KABC, KF, KE – окончательное смыкание формы; CD, FG, EH – отверждение материала в замкнутой форме; DN, GM, HL – размыкание формы; AB – растекание материала в полости формы; BC – замыкание форм

Коэффициент уплотнения (отношение прироста плотности материала к приросту давления (DP/Dr) максимален на первой стадии и минимален на третьей. Практическое значение имеет вторая стадия уплотнения, для которой характерна следующая зависимость:

, (3.2.1)

где R – универсальная газовая постоянная; T - температура прессования; A и B – постоянные коэффициенты.

Течение пластицированного реактопласта и заполнение пресс-формы – это процесс, при котором давление на материал не остается постоянным.

Изменение давления в цикле формования наглядно показывает диаграмма “давление в форме – время” (рис. 3.6). На данной диаграмме можно выделить следующие участки. OK – начальный период смыкания пресс-формы. Для растекания не нагретого предварительно пресс-материала необходимо относительно длительное время прессования и повышенное давление (кривая 1). Участок KABC - окончательное смыкание пресс-формы. На отрезке AB давление снижается из-за растекания материала по всей формующей полости. Точка B соответствует началу отверждения материала. Последний подъем давления (отрезок BC) связан с замыканием пресс-формы. Отверждение пресс-материала

происходит при практически постоянном давлении (отрезок CD). При размыкании формы давление резко снижается (отрезок DN).

Для прессования реактопластов, предварительно нагретых ТВЧ, требуется значительно меньшее давление (кривая 2). В этом случае оно повышается до момента полного смыкания формы (точка F), продолжительность отверждения (отрезок FG) и всего цикла прессования сокращается. Еще более эффективно прессование материала, предварительно пластифицированного в червячном пластикаторе (кривая 3), поскольку такой материал находится практически в вязко-текучем состоянии. Давление смыкания (точка E) еще ниже, чем точка F на кривой 2.

Теплохимические процессы отверждения реактопластов при прессовании. Процесс нагрева пресс-материала от формующих поверхностей матрицы и пуансона (теплопередача) первичный процесс (рис. 3.7), т.е. материал разогревается от начальной температуры T_н и переходит в вязко-текучее состояние. Затем химический – отверждения. Эти процессы начинают протекать одновременно, когда материал прогреется до определенной температуры. Данная

а) Q=0 б) Q> > 0

Рис. 3.7. Термограммы процесса отверждения реактопластов:

а – отверждающихся без выделения экзотермического тепла; б – отверждающихся с выделением экзотермического тепла; T_н – начальная температура пресс-материала; T_п – температура прессования (пресс-формы); T₁ – температура начала интенсивного отверждения; T_{н с} – изменение температуры наружных слоев материала в процессе прессования; T_в.с – изменение температуры внутренних слоев материала в процессе прессования

температура называется температурой начала интенсивного отверждения T_1. Температурой начала интенсивного отверждения T_1. – это температура, при которой процесс отверждения начинает протекать с заметной скоростью.

Характер изменения температуры в объеме прессуемого изделия за время выдержки будет определяться: отверждается ли данный реактопласт без выделения или с выделением тепла экзотермической реакции.

Для пресс-материалов, отверждающихся без выделения экзотермического тепла (на основе КФО, КОС, ПИ), термограмма процесса отверждения имеет следующий вид (рис. 3.7а). После загрузки пресс-материала в пресс-форму и его уплотнения под давлением пуансона сначала прогреваются наружные слои T_{н с}, а через некоторое время и внутренние слои T_{в с}. В это время наружные слои в зависимости от толщины изделия (h) и температуры прессования T_п имеют температуру порядка 120¸ 150 ⁰С. Также вперед начинают отверждаться наружные слои после их разогрева выше температуры начала интенсивного отверждения T₁, а потом и внутренние слои. После прогрева наружных, а затем и внутренних слоев выше T₁ начинают протекать одновременно два процесса: нагрева от T₁ до T_п и отверждения полимерной матрицы в этом интервале температур нагрева, т.е. в неизотермических условиях (не при постоянной температуре). Когда весь объем прессуемого изделия прогреется до температуры прессования T_п, то уже при этой температуре идет доотверждение в изотермических условиях (при постоянной температуре) до конечной заданной степени отверждения.

При прессовании реактопластов, отверждающихся с выделения экзотермического тепла (на основе ФФО, ЭС, НПС и их модификаций), термограмма процесса отверждения имеет следующий вид (рис. 3.7б). До температуры начала интенсивного отверждения T₁, нагрев материала происходит, как и в первом случае (рис. 3.7а). После T₁ прогрев ускоряется за счет выделения тепла экзотермической реакции отверждения. Температуры прессования T_п все слои изделия достигают практически одновременно. Затем температура внутренних слоев T_в.с превышает температуру прессования. Величина температурного градиента (DT = T_ц.с - T_п) зависит типа связующего и его содержания, вида наполнителя (влияет на теплопроводность материала), толщины изделия и температуры прессования. Величина DT может превышать 200 ⁰С (особенно для ЭС и нПЭф). Из рис. 3.7б следует, что процесс отверждения происходит в неизотермических условиях.

Оба процесса нагрева и отверждения, протекающие при прессовании реактопластов, характеризуются следующей системой дифференциальных уравнений:

(3.2.2)

где a – коэффициент температуропроводности, м²/с;

Q – количество экзотермического тепла, кДж/кг;

с – удельная теплоемкость, кДж/(кг× К);

r - плотность материала, кг/м³;

a - степень отверждения;

U – кажущееся энергия активации процесса отверждения, кДж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, кДж/(моль× К);

T(t) – закон изменения температуры в материале в процессе прессования;

f(a) = a^m(1-a)ⁿ – степенной закон изменения степени отверждения, m и n – показатели порядка реакции.

Первое уравнение Фурье – уравнение теплопроводности характеризует процесс нагрева материала с учетом тепла экзотермической реакции. Второе уравнение – уравнение химической кинетики характеризует процесс отверждения на основе закона Аррениуса.

На основании данной системы уравнений рассчитывается время выдержки (время прессования) изделия в пресс-форме до достижения необходимой степени отверждения или заданных эксплуатационных свойств.

Как показывает эта система, время выдержки (время прессования) является функцией следующих параметров процесса прессования:

, (3.2.3)

где h – толщина изделия; b - коэффициент, определяющий скорость нагрева в зависимости от формы изделия; t₀ – время отверждения материала при температуре стандартных испытаний T₀.