Технологии

Введение в полиамиды стекловолокнистого наполнителя позволяет получить материал с увеличенной прочностью, жесткостью, теплостойкостью, менее растрескивающийся в условиях повышенных и пониженных температур. При этом значительно снижается усадка и коэффициент линейного расширения. Эластичность материала и сопротивление к истиранию у стеклонаполненного материала меньше, чем у ненаполненного.

Из стеклонаполненного полиамида изготавливают детали точных приборов, кулачковые диски, корпуса электроинструментов, например дрелей, кожухи малогабаритных насосов, сепараторы подшипников, несущие детали трансформаторов, игольчатые роликовые подшипники и т.д. Для уменьшения коэффициента трения и улучшения износостойкости используют в качестве наполнителя графит и дисульфид молибдена. Наполнение полиамида тальком позволяет получить деформационные марки с увеличенной размерной стабильностью.

Полиамиды ПА6 и ПА66 армированные стекловолокном, имеющие высокую жесткость, прочность, ударную вязкость, стойкость к термокороблению и различным средам.

К преимуществам в эксплуатации стеклонаполненных полиамидов можно отнести:

•  Высокая жесткость, ударная вязкость и стойкость к термокороблению.
•  Пониженный коэффициент трения и износ.
•  Работоспособность при температуре от -60 до +150° С.
•  Длительная работоспособность в условиях одновременного воздействия повышенных температур, значительных механических напряжений, в том числе знакопеременных, паров воды и химических сред: масел, бензина, дизельного топлива, тормозной жидкости.
•  Стойкость к щелочам, слабым кислотам, электролиту, неполярным растворителям и растворам солей.

Изделия из стеклонаполненных термопластичных полимеров, получаемые литьем под давлением, имеют ряд существенных недостатков и в первую очередь: малую эластичность, низкую ударную прочность, переработка их сопровождается значительным измельчением армирующих волокон, а также абразивным износом оборудования.

Стекловолокно как армирующий материал имеет высокую плотность и низкую адгезию к связующим. Вследствие этого – высокий вес изделий, неполное использование прочности волокна, невысокая водостойкость, расслаивание изделий и т.п. затрудняет применение стеклоармированных термопластов.

Был разработан новый КМ на основе полиамидов и высокопрочных термостойких органических волокон, которые при правильном выборе имеют ряд преимуществ перед стекловолокном: хорошее смачивание полимерами, высокая прочность связи с матрицей, меньшая склонность к измельчению. Поскольку плотность органических волокон значительно меньше стеклянных, значения удельной прочности и жесткости новых КМ возрастают (табл. 1).

Таблица 1: Физико-механические свойства армированных полиамидов

Экструзия полиамидов

Большинство полиамидов имеют низкую вязкость расплава и перерабатываются» основном методом литья под давлением. Экструзия полиамидов стала возможной лишь с получением продуктов, имеющих вязкость 10 000-25 000 пуаз при 30 0С и число вязкости 180-230. В настоящее время вязкость полиамидов оценивают по удельной вязкости 0,5%-ного раствора полиамида в метакрезоле; по этому показателю экструзионные марки полиамидов должны иметь удельную вязкость не ниже 1,1-1,2. Поскольку наличие влаги оказывает пластифицирующее воздействие и снижает вязкость полимера, содержание влаги в материале перед переработкой не должно превышать 0,15-0,20%.

Оборудование и технологическая оснастка

Полиамиды обычно перерабатывают на одношнековых экструдерах. Применение двухшнековых экструдеров не дает особых преимуществ даже в отношении равномерности подачи расплава.

Шнеки. Полиамиды отличаются от большинства термопластов узким диапазоном плавления и резким переходом из твердого в расплавленное состояние. В связи с этим зона сжатия традиционного трехзонного шнека должна быть, по возможности, короткой, иногда даже меньше половины витка. Для переработки высококристаллических полиамидов (полиамидов 6, 66 и 610) рекомендуют параметры шнеков, указанные ниже:
•  длина шнека, не менее 20D (D — диаметр шнека);
•  длина зоны загрузки 13,5D;
•  длина зоны сжатия 0,5D;
•  длина дозирующей зоны, не менее 6D;
•  степень сжатия 2,5:4...4:1;
•  шаг шнека (1... 1,8)D;
•  угол подъема винтовой линии 17°30`;
•  высота канала зоны загрузки (0,15...0,20)D;
•  высота канала зоны дозирования, не более 0.08D.

Для переработки полиамидов 11 и 12 требования к конструкции шнеков менее жесткие. Для них возможно применение шнеков с конической зоной сжатия длиной (1...8)D. Промежуточная коническая зона оказывает влияние на равномерность подачи материала. При переработке полиамида 11 типа Rilsan лучшие результаты были получены при самых длинных конических зонах сжатия.

Для оптимизации процесса экструзии и увеличения производительности были разработаны различные варианты конструкции шнеков. Для облегчения удаления влаги и других летучих продуктов из полиамидов иногда используют экструдеры с зоной дегазации, в которых устанавливают пятизонные шнеки с зоной декомпрессии. При работе с такими шнеками необходимо правильно подбирать температурный режим по зонам цилиндра и скорость экструзии для исключения попадания расплава под давлением в отверстие вакуум-отсоса.

Для уменьшения колебания давления и расхода при экструзии зазор между гребнями витка шнека и поверхностью цилиндра должен быть как можно меньше и не превышать 0,15 мм на диаметр. Лучшие результаты получаются при зазорах: шнек D = 45 мм — зазор 0,08-0,10 мм; шнек D = 60 мм — зазор 0,10-0,15 мм.

Цилиндр экструдера. Большинство экструдеров выполняют из азотированных сталей. Иногда на внутренней поверхности цилиндра устанавливают втулку из износостойкого сплава типа Xalloy.

При переработке полиамидов особое внимание следует уделять поддерживанию температурного режима по длине цилиндра и головки. На цилиндре желательно иметь не менее трех зон нагрева. Обогрев цилиндра производится бандажными электронагревателями. Особенно важно точно поддерживать заданную температуру переходной зоны от цилиндра к головке. Присоединительные фланцы или разъемные хомуты для крепления головок целесообразно подключать к отдельной регулируемой тепловой зоне; при отсутствии такой возможности фланцы или адаптер головки следует теплоизолировать. Зона загрузки цилиндра экструдера должна охлаждаться циркулирующей водой.

Экструзионные головки. Для производства сплошных и полых профилей из полиамидов используют, как правило, прямоточные головки обычного типа. Для получения профилей с сердечником применяют угловые головки. На входе в головку часто устанавливают решетку; расстояние между концом шнека и решеткой должно составять 5-15 мм, диаметр отверстий решетки 2-3 мм, оптимальное число отверстий – 40/1 дюйм. Например, для шнека D = 45 мм решетка длиной 6 мм имеет 176 отверстий 2 мм. В экструдерах с «плавающим» шнеком регулировку сопротивления осуществляют изменением величины зазора между коническим концом шнека и втулкой на входе в головку.

Экструзионная головка для производства полиамидных изделий должна иметь не менее двух регулируемых тепловых зон. Формующий инструмент также должен обогреваться или теплоизолироваться.

Несмотря на то, что полиамиды относительно термостабильны, в головке не допускаются застойные зоны, так как застой материала может приводить к его перегреву, образованию черных точек и появлению в изделиях повышенных остаточных напряжений. Полиамиды — вязкоупругие материалы, проявляющие при экструзии такие же эффекты, как и другие термопласты (разбухание, ориентацию). Поэтому при конструировании каналов головки следует учитывать неравномерность разбухания и вытяжку расплава при течении его по каналам сложной геометрии. Например, при экструзии труб из ПА6 диаметр мундштука принимают на 5-10% больше наружного диаметра трубы, диаметр дорна — на 5% больше внутреннего диаметра трубы, а длина формующей части составляет 10-22 толщины стенки трубы. Степень вытяжки экструдата полиамидов находится в пределах 1,5-4,0 для большинства применений.

Калибрующие устройства. Конструкции калибрующих устройств применяются такие же, как и при экструзии других жестких кристаллизующихся полимеров. Перед входом в калибр целесообразно установить приспособление для предварительного охлаждения экструдата воздухом или тонкой струей воды под небольшим давлением или самотеком. Размеры сечения калибрующего канала должны учитывать линейную термическую усадку материала, которая для полиамидов составляет 2,08-2,57%. Припуск на усадку для толстостенных участков принимается больше, чем для тонкостенных. При производстве полых профилей или труб обычно используют длинномерные вакуумные калибраторы или калибрующие втулки или пластины, установленные в вакуумной ванне. Применение длинномерных калибраторов позволяет получать более точные изделия, чем при использовании калибрующих втулок или пластин. Диаметр отверстий в вакуумных зонах должен быть 0,5-0,8 мм. Возможно использование прорезей вместо отверстий, но толщина их также не должна выходить за указанные пределы, иначе возможны задиры на поверхности профиля или даже нарушение процесса, особенно если вакуум по зонам не регулируется. Обычно в вакуумной зоне имеется 3-4 ряда отверстий с шагом 5 мм. Зоны охлаждения целесообразно охлаждать независимо друг от друга. На входе в калибратор температура воды должна быть 18-25 0С, в последующих зонах — 13-18 0С. Температура воды в охлаждающей ванне должна быть не ниже 15 0С: при температуре воды выше 30 0С изделия становятся излишне пластичными и могут деформироваться в тянущем устройстве, при более резком охлаждении изделие становится хрупким и может растрескиваться при резке.

Особенности технологии экструзии полиамидов

Для расплавления полиамидов требуется тепла больше, чем для плавления других распространенных термопластов. Длительное пребывание материала в цилиндре или головке экструдера приводит к его к деструкции и ухудшению качества изделий, в связи с чем необходимо очищать экструдер перед его остановкой. Материал, оставшийся в головке, при налаживании процесса следует полностью обновить новой порцией полиамида.

Полиамиды — гигроскопичные материалы, поэтому перед переработкой следует их подсушить в течение 2-3 часов в токе горячего воздуха в бункерных сушилках при температуре 80-100 0С. Остаточное влагосодержание в материале не должно превышать 0,2%. Производительность экструдера значительно возрастает при использовании предварительно подогретого полимера. Нагрев до 80 0С может увеличить производительность на 30% по сравнению с производительностью при загрузке холодных гранул.

Температурный режим переработки полиамидов зависит от их типа: полиамиды с высокой температурой плавления требуют повышенных температур переработки. В таблице 2 приведены ориентировочные температуры по зонам экструдера (D = 60 мм, L/D = 20:1, частота вращения шнека 60 об/мин) при переработке различных полиамидов.

Высоковязкие марки полиамидов обладают хорошей формоустойчивостью и их переработка не вызывает особых затруднений. Необходимо только с высокой точностью поддерживать температуру по зонам цилиндра и головки и не допускать охлаждений полиамида на шнеке ниже температуры плавления. Остановка экструдера с материалом даже на несколько минут может привести к резкому охлаждению расплава.

Таблица 2: Температуры по зонам экструдера при экструзии различных полиамидов, 0С

Таблица 3 Торговые марки стеклонаполненного полиамида

В статье использованы материалы следующих изданий:

1. «Экструзия профильных изделий из термопластов», Профессия
2. Пластические массы, журнал

www.newchemistry.ru