Получение пластмасс

Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических или естественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимеризации или поликонденсации мономеров в присутствии катализаторов при строго определенных температурных режимах и давлениях.

В полимер с различной целью могут вводиться наполнители, стабилизаторы, пигменты, могут составляться композиции с добавкой органических и неорганических волокон, сеток и тканей.

Таким образом, пластмассы в большинстве случаев являются многокомпонентными смесями и композиционными материалами, у которых технологические свойства, в том числе и свариваемость, в основном определяются свойствами полимера.

В зависимости от поведения полимера при нагревании различают два вида пластмасс — термопласты, материалы, которые могут многократно нагреваться и переходить при этом из твердого в вязко-текучее состояние, и реактопласты, которые могут претерпевать этот процесс лишь однократно.

Полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения. Молекула такого соединения состоит из нескольких тысяч атомов, а относительная молекулярная масса превышает 10 000.
Структура молекулы полимера формируется при соединении между собой молекул низкомолекулярных веществ (мономеров). Химическая связь между молекулами происходит по месту двойных связей.
Основные методы получения пластмасс - полимеризация и поликонденсация. Различие этих двух методов заключается в том, что при полимеризации происходит связывание молекул мономеров в полимерные цепи без высвобождения побочных продуктов реакции (вода, спирт и др.). Процесс полимеризации является обратимым. При нагревании возможно разложение полимера на молекулы мономера.
При поликонденсации процесс соединения мономолекул сопровождается образованием некоторых побочных не связанных с полимером веществ. Процесс поликонденсации является необратимым. Образовавшийся полимер по своей структуре отличается от исходных мономеров.
Сополимеризация. Полимеризации могут быть подвергнуты смеси из молекул различных мономеров. Полимеры, полученные при полимеризации отличающихся по своим свойствам различных мономеров, носят название сополимеров.
Используя различные мономеры, подбирая необходимые количественные соотношения их, можно ^ получать пластмассы с нужными свойствами. Примерами сополимеров, применяемых в ортопедической стоматологии, являются этакрил, эладент и др.
Этакрил - сополимер метилметакрилата, этил-метакрилата и метилакрилата, отличается повышенной прочностью, чем полиметилметакрилат.
Эладент - сополимер метилакрилата и метилметакрилата, является эластичной пластмассой, применяемой для изготовления мягких подкладок в съемных протезах.

Поликонденсация. Методом поликонденсации полимеры получают из низкомолекулярных соединений.
Особенностью поликонденсации является то, что в ходе химического процесса происходит высвобождение некоторых побочных продуктов, а получающийся полимер по составу отличается от первично взятых. Примером таких полимеров являются полиамидные, фенолформальдегидные, полиэфирные, силиконовые и другие смолы.
В промышленности полимеров этот метод используют широко. В стоматологической практике он применения не нашел. Используемые для изготовления зуб-пых протезов пластмассы получают только методом полимеризации.

Пластификация. Для повышения эластических свойств полимеров, придания им большей пластичности в необходимых случаях в них вводят специальные вещества, способные уменьшать силы молекулярного гцепления у полимера. Такие вещества называются пластификаторами. В. качестве пластификаторов используют дибутилфтолат, диоктилфталат и ряд других низкомолекулярных веществ, способных разрыхлять цепи полимера.

Литье в оболочковые формы - это способ получения отливок свободной заливкой расплава в формы из термореактивных смесей.

Оболочковые формы отличаются высоким комплексом технологических свойств: достаточной прочностью, газопроницаемостью, податливостью, негигроскопичностью. Технология литья в оболочковые формы особенно хорошо подходит для крупных отливок - например скульптур. Детали, отлитые в оболочковые формы, имеют в 1, 5 раза меньший припуск на механическую обработку.

Оболочковые формы изготавливают из формовочных песчано-смоляных смесей с термопластичными или термореактивными связующими смолами. Если смола в смеси находится в порошкообразном состоянии, то такую формовочную смесь называют неплакированной, а если зерна песка покрыты сплошной тонкой пленкой смолы, то смесь будет плакированной. Формовочная смесь содержит наполнитель - мелкозернистый кварцевый песок - 100%: связующее - пульвербакелит (фенолформальдегидная смола с добавками уротропина) - 6 - 7%; увлажнитель (керосин, глицерин) - 0, 2 - 0, 5%; растворитель (ацетон, этиловый спирт) - до 1, 5%.

Размягчение введенной в смесь смолы происходит при 70 - 80 °С, а при 100 - 120 °С она уже плавится, покрывая поверхность зерен песка тонкой клейкой пленкой. Последующий нагрев смолы до 200 - 250 °С вызывает ее необратимое затвердевание и, как следствие, существенное повышение прочности и жесткости оболочковой формы. Оболочковые формы получают с помощью нагретых металлических моделей, изготавливаемых из серого чугуна, стали и алюминиевых сплавов. Каждая форма состоит из двух соединенных (путем склеивания пульвербакелитом и жидким клеем или с помощью скоб, струбцин) оболочковых полуформ. Толщины оболочек для мелких и среднего размера отливок колеблются соответственно в пределах 8 - 10 и 12 - 15 мм.

Технология изготовления оболочек включает в себя следующие операции:

1. Нагрев модельной оснастки до 200 - 250 °С.

2. Нанесение на рабочую поверхность модельной оснастки (пульверизатором) разделительного состава - быстро затвердевающей силиконовой жидкости, образующей при этом разделительную пленку, которая предотвращает прилипание к оснастке формовочной смеси и тем самым упрощает последующее отделение оболочки от модели.

3. Нанесение песчано-смоляной смеси на модельную оснастку одним из следующих способов; путем свободной засыпки поворотного или стационарного бункера, пескодувным методом, путем свободной засыпки с допрессовкой. Указанные способы изготовления оболочковых форм различаются, по существу, лишь приемами нанесения песчано-смоляной смеси на модельную оснастку.

4. Формирование и отверждение оболочки необходимой толщины. Широко применяется насыпной (бункерный) способ формообразования оболочки, основанный на использовании поворотного бункера, для свободной засыпки формовочной смесью модели вместе с модельной плитой (рис. 1.1). Бункер наполняют песчано-смоляной смесью. Нагретая и обработанная разделительным составом модельная плита с моделью закрепляется на приемной рамке поворотного бункера (рис. 1.1, а). Засыпка модели и модельной плиты смесью осуществляется поворотом бункера на 180° (рис. 1.1, б). Для формирования оболочки толщиной 5 - 15 мм плиту выдерживают под смесью в течение 15 - 20 с. При этом смола быстро плавится и затвердевает, образуя полутвердую оболочку. Затем бункер возвращают в исходное положение (рис. 1.1, в). С него снимают модельную плиту с налипшей оболочкой и помещают в печь для доотверждения оболочки (режим окончательного отверждения смолы - 300 - 350 °С, 1 - 3 мин).

5. Съем оболочковой полуформы после ее изготовления с модели осуществляется с помощью толкателей

Конструкция формы. В производстве наиболее часто используют оболочковые формы, упрочненные сыпучим огнеупорным материалом (рисунок 2.2, а). Преимущества таких форм заключаются в том, что их использование не связано с выполнением высоких требований по прочности и термостойкости к собственно оболочковой форме. Их конструктивное решение исключает резкое охлаждение формы после прокалки перед заливкой. Оболочковую форму после удаления модели прокаливают и помещают в нагретый сыпучий огнеупорный материал, что позволяет снизить длительность операции прокаливания и энергозатраты на ее осуществление. В качестве опорных материалов используют кварцевый песок, шамотную крошку, бой форм. Такие формы используют в массовом производстве отливок небольших размеров.

При изготовлении оболочковых форм с прочным опорным материалом (рисунок 2.2, б) оболочку помещают в опоку, в которую заливают жидкую смесь со связующим на основе цемента или жидкого силикатного стекла (ЖС). Иногда добавляют борную кислоту (рекомендуется современное название «гидроксид бора») или буру, которые при прокаливании форм способствуют упрочнению опорного материала и уменьшению давления на оболочку. Модель удаляют до или после упрочнения. Такой способ подготовки форм применяют в серийном производстве отливок, к которым предъявляются повышенные требования по точности размеров и геометрической точности. Процесс изготовления отливок данным способом длительный и энергоемкий, поэтому его используют редко.

Рисунок 2.2 – Конструкции оболочковых форм: а – с сыпучим опорным материалов; б – с прочным опорным материалом; в – истинно оболочковая форма; 1 – контейнер; 2 – оболочка; 3 – опорный материал

Истинно оболочковую форму (рисунок 2.2, в) прокаливают и заливают без опорных материалов, при этом сокращается продолжительность прокаливания форм, упрощается их выбивка.

Материалы для изготовления форм. Для изготовления оболочковой формы используют следующие огнеупорные материалы: мелкодисперсную основу суспензии, посыпку и опорный материал. Общими требованиями к огнеупорным материалам для оболочковых форм являются: высокая огнеупорность (как правило, не ниже 1500^оС); низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР); отсутствие полиморфных превращений при нагревании и охлаждении; химическая стойкость при нагревании.

Чаще других для изготовления оболочковых форм используют кварц, дистенсилиманит, циркон, высокоглиноземистый шамот (муллит), электроко-рунд (белый), диоксид циркония стабилизированный, оксид магния (магнезит), шпинель, оксид кальция спеченный.

Огнеупорные материалы различаются по размерам зерен. Обычно в суспензию вводят мелкозернистые огнеупоры – размер фракций 0, 05 – 0, 063 мм. Для обсыпки применяют зернистые огнеупоры фракций 0, 2 – 0, 315 мм для первого и второго слоев покрытия, 0, 63 мм для последующих слоев, В качестве опорного материала применяют огнеупоры более крупных фракций – крошку размером зерен 1 – 3 мм.

Изготовление оболочковых форм. Суспензия наносится на блоки моделей при окунании их в ванну с суспензией, а на крупные блоки и модели – путем их обливания. В зависимости от характера производства и степени механизации блок моделей погружают в ванну вручную, с помощью манипуляторов или копирных устройств на цепных конвейерах. Блок погружают таким образом, чтобы с поверхности моделей, особенно из глухих полостей и отверстий, могли удаляться пузырьки воздуха. Вынутый из суспензии блок моделей медленно поворачивают в разных направлениях, чтобы суспензия равномерно распределилась по поверхности моделей, а излишки ее стекли. После этого на слой суспензии сразу наносится слой песка. Между моментами нанесения суспензии и обсыпкой должно проходить не более 10 с, так как далее суспензия подсохнет, и песок не соединится с ней. Суспензию в ванне непрерывно перемешивают с небольшой скоростью для предотвращения оседания огнеупорного материала. Песок на слой суспензии наносится при погружении блока в «кипящий» слой песка.

После нанесения каждого слоя суспензии и обсыпки его выполняется сушка оболочковых форм. Форму высушивают в потоке воздуха или в парах аммиака. Во время сушки на воздухе завершаются процессы гидролиза, происходит испарение растворителя и воды, коагуляция золя кремниевой кислоты и превращением его в гель с последующим затвердеванием и образованием твердых прослоек, связывающих зерна огнеупорного пылевидного материала.

Процесс коагуляции можно ускорить обработкой слоев оболочки парами аммиака. Аммиак омывает полиэфиры этоксильных групп (продуктов неполного гидролиза) и переводит эти соединения в гель.

Продолжительность сушки и обсыпки каждого слоя суспензии на воздухе 2 – 4 ч, а в парах аммиака – 50 – 60 мин, из которых 20 – 30 мин – сушка на воздухе, 10 – 20 мин – сушка в парах аммиака и 10 – 20 мин – выветривание паров аммиака. Сушку ведут в вертикальных и горизонтальных многоярусных сушилках. Операция сушки – одна из наиболее длительных в общем цикле изготовления оболочковой формы, поэтому ускорение сушки – одно из важнейших направлений совершенствования процесса.

Прокатка — один из способов обработки металлов давлением. Металл пропускается через просвет (зазор) между вращающимися навстречу друг другу валками 16). Величина зазора между валкамн должна быть меньше толщины прокатываемой заготовки. Между металлом н валкамн в момент их соприкосновения возникает трение, благодаря которому заготовка захватывается валками, втягивается в просвет, пере* двигается и получает остаточную деформацию. После каждого пропуска заготовки расстояние между поверхностями вращающихся валков постепенно уменьшается. В результате многократного пропускания металла через валки увеличивается длина и ширина заготовки, а толщина ее уменьшается. Большинство металлов и сплавов недостаточно пластично ь холодном состоянии, и для прокатки их предварительно нагревают до определенной температуры. Отношение площадей поперечного сечения металла до и после прокатки называется коэффициентом вытяжки. Его абсо лютная величина колеблется от 1, 1 до 2 и зависит от рода металла и его толщины, температуры и скорости прокатки. Разность толщины заготовки до прокатки и после нее называется абсолютной величиной обжатия. При очень малом обжатии прокатка затягивается, металл остывает, и для его прокатки требуются большие усилия. Наоборот, при слишком большом обжатии в нем могут образоваться трещины. Основными факторами, влияющими на величину допускаемого обжатия, являются диаметр и состояние поверхности валков, скорость их вращения и прочность металла при температуре прокатки.