IN YNIERIA DUROPLASTÓW Tworzywa termoutwardzalne ich

INŻYNIERIA DUROPLASTÓW
Tworzywa termoutwardzalne ich własności i możliwości zastosowań
Wraz z wprowadzaniem na rynek szeregu nowych konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych
tłoczywa duroplastyczne zaczęły być wypierane ze swych dotychczasowych zastosowań. Wydawało się, że era
tych tworzyw przeminie i zostaną one całkowicie wyparte z wielu dziedzin przemysłu.
Producenci duroplastów oraz maszyn przeznaczonych do ich przetwórstwa ciągle pracują jednak nad
opracowaniem nowych tworzyw i racjonalnych metod ich przetwórstwa. Wiele zakładów, które skłonne były
odejść od zastosowania duroplastów, rozbudowuje obecnie swe wydziały przetwórcze, a dzięki otrzymanej
nowoczesnej technologii ich wyroby mogą spełniać ostre wymagania eksploatacyjno-ekonomiczne.
W chwili obecnej istnieje w Polsce kilkadziesiąt zakładów zajmujących się przetwórstwem tworzyw
termoutwardzalnych.
Tłoczywa duroplastyczne charakteryzują się;
wysoką twardością powierzchni, wysoką jej gładkością i odpornością na zarysowania,
wysokim modułem sprężystości E,
wysoką wytrzymałością mechaniczną, także w podwyższonych temperaturach
wysoką wytrzymałością termiczną, dochodzącą do 300 oC,
dobrymi i bardzo dobrymi własnościami elektroizolacyjnymi. Szczególnie dotyczy to wytrzymałości na prądy
pełzające i łuk elektryczny,
S tworzywa termoutwardzalne, bez użycia halogenów są samogasnące lub niepalne,
S duroplasty wykazują bardzo dobrą odporność na oddziaływanie chemiczne. Dotyczy to także różnego
rodzaju rozpuszczalników i olei.
Powyższe korzystne własności zdecydowały, że w ciągu ostatnich 80 lat tworzywa termoutwardzalne były
jednym z podstawowych surowców stosowanych w elektronice, elektrotechnice, gospodarstwie domowym,
przemyśle samochodowym i innych działach gospodarki.
S
S
S
S
S
1. Klasyfikacja tłoczyw termoutwardzalnych
Pierwsza technologia produkcji tworzyw termoutwardzalnych opracowana została przez Baekelanda
w 1909 r. Od tego czasu materiały te w ciągły sposób były udoskonalane i obecnie istnieją ich dziesiątki
odmian.
Zgodnie z rodzajem zastosowanej do produkcji żywicy tłoczywa dzieli się na:
S fenolowe
S mocznikowe
S melaminowe
S melaminowo-fenolowe
S poliestrowe
S allilowe
S epoksydowe
Klasyfikacja poszczególnych typów oparta jest na normach międzynarodowych i krajowych.
W Polsce najczęściej stosowany jest podział oparty na normach DIN 7708 i DIN 16911.
1.1. Tworzywa fenolowe
Tworzywa uzyskane na bazie żywic fenolowych były pierwszymi zastosowanymi w przemyśle.
Pomimo upływu czasu i opracowania receptur innych rodzajów tłoczyw, tworzywa fenolowe stanowią obecnie
ponad 40% stosowanych w Europie tłoczyw.
Materiały te stosowane są w gospodarstwie domowym, elektrotechnice i elektronice oraz w
przemyśle samochodowym. Z tłoczyw fenolowych wykonuje się min. :korpusy cewek zapłonowych, elementy
izolujące, korpusy liczników prądu, uchwyty żelazek, pokrętła i uchwyty do kuchenek gazowych, uchwyty do
naczyń, artykuły sanitarne.
1
Klasyfikacja tłoczyw duroplastycznych.
Fenolowe
PF
DIN 7708
Ogólnego
stosowania
31
o zwiększonej
udarności z
karbem
51
71
74
75
83
84
85
o zwiększonej
odporności
cieplnej
12
15
16
o poprawionych
wł.
Elektrycznych
11.5
13
13.5
31.5
51.5
O własnościach
specjalnych
13.9
52.9
Mocznikowe
UF
DIN 7708
ogólnego
stosowania
131
o poprawionych
wł.
elektrycznych
131.5
Melaminowe
MF
DIN 7708
ogólnego
stosowania
150
o zwiększonej
udarności z
karbem
153
154
o zwiększonej
odporności
cieplnej
152
o własnościach
specjalnych
152.7
MelaminowoEpoksydowe i
fenolowe
Poliestrowe
allilowe
MPF
UP
EP
DIN 7708
DIN 16911
Brak norm
ogólnego
tworzywa suche,
stosowania
sypkie
180
802
o zwiększonej
804
odporności
cieplnej
181
tworzywa
ciastowate BMC
181.5
801
182
803
183
tworzywa
arkuszowe SMC
833.5
Tworzywa fenolowe charakteryzują się:
* korzystną ceną,
* małym skurczem wtórnym,
* wysoką wytrzymałością termiczną. Dochodzącą, przy zastosowaniu wypełniaczy nieorganicznych, do 180 - 200GC wg Martensa,
* wadą są stosunkowo słabe własności elektryczne. Wytrzymałość na prądy pełzające wynosi
zwykle 125-150 CTI. W przypadku zastosowania specjalnych żywic fenolowych oraz
odpowiednich wypełniaczy, istnieje możliwość podwyższenia tej wartości do 175 CTI.
* tworzywa fenolowe dostępne są tylko w zimnych, ciemnych kolorach. Ograniczona gama
kolorystyczna produkowanych tworzyw wynika z naturalnego, ciemnego koloru żywicy
fenolowej,
* wadą tłoczyw fenolowych jest również brak ich dopuszczenia do kontaktu z żywnością.
W zależności od rodzaju stosowanych wypełni czy tłoczywa fenolowe podzielone zostały na sześć podstawowych
grup:
Rodzaj wypełniacza
Oznaczenie typu
nieorganiczne
10 - 19
mączka drzewna
30 - 39
celuloza
50 - 59
tekstylia
70 -79
mieszanina wypełniaczy organicznych
80 - 89
2
W praktyce spotyka się dwa rodzaje oznaczania typów tworzywa. Wcześniejsze oznaczenie opierało się
na kodzie dwu cyfrowym oznaczającym typ tworzywa i cztero cyfrowym określającym:
cyfra pierwsza rodzaj żywicy (fenolowa lub krezolowa)
cyfra druga określała udział procentowy żywicy
dwie ostatnie oznaczały kolor tłoczywa.
Typowym przykładem takiego oznaczenia jest 31.5/1649. To samo tłoczywo bywa obecnie oznaczone jako
31.5-16 RAL 9005 DIN 7708 lub krócej Typ 31.5 RAL 9005.
Dla tłoczyw o specjalnych własnościach po dwucyfrowym kodzie oznaczającym typ tworzywa wprowadza się
dodatkowe oznaczenie jednocyfrowe. Poszczególne cyfry oznaczają:
.5 - tworzywa o poprawionych własnościach elektrycznych,
.7 - tłoczywa mające dopuszczenie do kontaktu z żywnością,
.9 - tworzywa wolne od amoniaku.
Oznaczenia te stosuje się także do innych rodzajów tłoczyw niż fenolowe.
Rodzaj
Wytrzymałość
Udarność z
Wytrzymałość
Chłonność
TYP
wypełniacza
na zginanie
Udarność
karbem
termiczna wg
wody
Martena
o
N/mm2
KJ/m2
KJ/m2
C
mg
11
50
3.5
1.3
150
45
13
12
31
51
71
74
83
84
85
1
2
3
4
50
3.0
2.0
150
20
krótkie włókno
azbestowe
mączka
drzewna
celuloza
50
3.5
2.0
150
60
70
6.0
1.5
125
150
60
5.0
3.5
125
300
włókna
tekstylne
rwane tekstylia
60
6.0
6.0
125
250
60
12.0
12.0
125
300
mączka
drzewna/ wł.
tekstylne
celuloza /
wł. tekstylne
celuloza /
mączka drzewna
60
5.0
3.5
125
180
60
6.0
6.0
125
150
70
5.0
2.5
125
200
Tłoczywa fenolowe podzielone są, w zależności od ich przewidywanego zastosowania, na:
Grupę ogólnego stosowania - reprezentowaną jest przez typ 31.
Tworzywa o podwyższonej odporności cieplnej.
Tworzywa neutralne na korozję - typ 31/1649 i typ 51
Tworzywa o poprawionych własnościach mechanicznych:
typ 51 - charakteryzujący się dodatkowo dobrymi własnościami ślizgowymi,
typ 71 - o wysokich własnościach wytrzymałościowych,
typ 83 - podobnie jak typ 71,
typ 84 - tworzywo o niewielkiej chłonności wody i poprawionych własnościach elektrycznych.
5 Tworzywa o poprawionych własnościach elektrycznych reprezentowane są przez typ 31.5.
3
Prasowanie
Podgrzewanie wstępne
prądami wysokiej
częstotliwości
Wstępna plastyfikacja
ślimakiem
ciśnienie prasowania
temperatura formy
czas utwardzania /mm
Prasowanie przetłoczne
Podgrzewanie wstępne
prądami wysokiej
częstotliwości
Wstępna plastyfikacja
ślimakiem
ciśnienie prasowania
temperatura formy
czas utwardzania /mm
o
C
o
C
95 - 110
110 - 120
bar 150 - 600
o
C 160 - 185
s
30 - 60
o
95 - 110
o
110 - 120
C
C
bar 500 -1500
o
C 160 - 185
s
20 - 40
Wtrysk
Temp cylindra
strefa zasilania
strefa dyszy
temp. formy
ciśnienie plastyfikacji
ciśnienie wtrysku
szybkość wtrysku
ciśnienie docisku
czas utwardzania /mm
o
C
70 - 85
C
90 - 100
o
C 160 - 190
bar 50 - 150
bar 1000-2500
s
2-8
bar 800- 1600
s
5 - 20
o
Tłoczywa fenolowe można przetwarzać zarówno metodą
prasowania jak i wtrysku. Każdy z producentów zaleca
odpowiednie dla swoich produktów warunki
przetwórstwa. Wartości zalecanych parametrów
przedstawionych w tabeli obok
1.1.1. Specjalne tłoczywa fenolowe
Przykładem tłoczyw fenolowych specjalnych są tworzywa komutatorowe. Przez odpowiedni dobór
napełniaczy i żywic opracowano specjalne masy nadające się do produkcji komutatorów. Tworzywa te muszą
spełniać następujące wymagania:
S bardzo dobra przyczepność tłoczywa do miedzi,
S doskonałe własności izolacyjne,
S wysoka wytrzymałość mechaniczna,
S długi okres eksploatacji,
Obecnie tworzywa komutatorowe oparte na żywicach fenolowych produkowane są przez firmy: Bakelite,
Sud-west-Chemie i Vincolite. Firma Bakelite produkuje również tłoczywa komutatorowe oparte na żywicach
melaminowo-fenolowych.
Od kilku lat zabronione jest stosowanie tworzyw z wypełniaczem azbestowym.
Wprowadzenie tego zakazu szczególnie mocno odbiło się na tłoczywach komutatorowych.
Producenci tych materiałów zostali zmuszeni do opracowania nowych receptur tworzyw, które mogły by
zastąpić stosowane wcześniej tłoczywa azbestowe.
1.2. Tworzywa mocznikowe
Kolejnym rodzajem duroplastów są tłoczywa mocznikowe. Znalazły one zastosowanie wszędzie tam, gdzie
istotne znaczenie mają dobre własności elektroizolacyjne oraz kolorystyka wyrobu.
Tworzywa mocznikowe charakteryzują się:
S korzystną, porównywalną z tłoczywami fenolowymi cena,
S dobrymi własnościami elektrycznymi,
S bardzo szeroką gamą dostępnych kolorów,
S wysoką twardością powierzchni,
S bardzo dobrą odpornością na światło,
S umiarkowanymi własnościami mechanicznymi,
S brakiem odporności na detergenty stosowane w gospodarstwie domowym.
Pomimo swych wad tworzywa mocznikowe stanowią obecnie bardzo duży procent wszystkich
wykorzystywanych w przemyśle tłoczyw.
Tworzywa mocznikowe produkowane są w dwu odmianach: TYP 131- podstawowy oraz TYP 131.5 - o
podwyższonych własnościach elektrycznych.
W zależności od rodzaju stosowanej technologii przetwórstwa i wymagań stawianych wypraskom producenci
oferują kilkanaście zmodyfikowanych odmian, różniących się płynnością, wytrzymałością temperaturową i
wielkością skurczów.
Tłoczywa mocznikowe stosowane są w Polsce na: obudowy bezpieczników automatycznych, korpusy łączników,
ramki wyłączników domowych, przyciski i wyłączniki.
4
Zalecane parametry przetwórstwa dla tłoczyw mocznikowych UF
Prasowanie
Wtrysk
o
podgrzewanie
C
50 - 75
temp. cylindra
wstępne
temp. dyszy
o
temp. formy
C
135 -165
temp. formy
ciśnienie prasowania
kp/cm
> 200
ciśnienie wtrysku
czas utwardzania
2
30 -180
s
Prasowanie przetłoczne
ciśnienie plastyfikacji
podgrzewanie
wstępne
ciśnienie prasowania
czas utwardzania
o
C
kp/cm
2
s
140 - 150
600 - 1200
30 - 120
czas utwardzania
temp. formy
niski zakres < 3mms
wysoki zakres >3mms
o
C
C
o
C
kp/cm
2
65 - 95
85 - 110
140 -160
1000-2000
kp/cm
2
s
5 - 10
o
o
C
C
o
15 - 80
145 - 155
135 - 145
1.3. Tworzywa melaminowe
Najczęściej stosowanym przedstawicielem grupy tworzyw melaminowych jest tłoczywo
typ 152.7 z wypełniaczem w postaci celulozy.
Tworzywa melaminowe, w szczególności zaś typ 152.7, charakteryzują się:
* nieograniczonymi możliwościami kolorystycznymi i doskonałą odpornością na światło,
* dopuszczeniem do kontaktu z żywnością,
* odpornością na zimną i ciepłą wodę ,
* doskonałą odpornością na tłuszcze, oleje, i organiczne rozpuszczalniki
* wysoką odpornością na kwasy i zasady,
* wysokimi własnościami mechanicznymi,
* doskonałymi własnościami przetwórczymi,
* wysoką odpornością na prądy pełzające (min 600 KCI),
* dobrze przyjmuje malowanie, drukowanie, pokrywanie foliami impregnowanymi,
* wysoką twardością powierzchni i odpornością na zarysowanie,
* możliwością pokrywania wyprasek foliami dekoracyjnymi.
Melamina jest wyśmienitym materiałem do zastosowań w gospodarstwie domowym. Odporność na
większość stosowanych w kuchni środków chemicznych zapewnia długi okres używania wyrobów wykonanych z
tłoczyw melaminowych. Produkty odporne są na zarysowania, powstawanie plam, mają błyszczącą i estetyczną
powierzchnię. Naczynia wykonane z melaminy nie wypływają na zmianę smaku podawanych w nich potraw.
Artykuły wykonane z tworzywa melaminowego można łatwo uatrakcyjnić poprzez naprasowanie folii ozdobnych
i dekoracyjnych. Współczesne techniki nanoszenia oraz nowoczesne wtryskarki i prasy umożliwiają
dokonywanie nanoszenia folii już na etapie wtrysku lub prasowania. Z tłoczyw melaminowych wykonuje się
uchwyty, pokrętła i wyroby gospodarstwa domowego. Materiał ten znalazł zastosowanie także w przemyśle
elektrotechnicznym. Dotyczy to w szczególności części narażonych na pracę w wysokich temperaturach. Detale
wykonane z melaminy wytrzymują szokowe działanie temperatury do + 150 C i późniejsze szybkie chłodzenie
zimną wodą. Wypraski wykonane z tłoczywa melaminowego charakteryzują się dobrymi własnościami
mechanicznymi , stabilnością termiczną i wysoką odpornością na prądy pełzające.
W tworzywach melaminowych można osiągnąć bardzo równomierne rozłożenie pigmentu, dzięki temu
możliwe jest barwienie tych materiałów na dowolny kolor. Wyśmienite możliwości kolorystyczne umożliwiaja
wykonywanie produktów dwu kolorowych. W formach dwu pozycyjnych metodą prasowania wykonuje się kubki
i filiżanki białe od wewnątrz i kolorowe na zewnętrznej powierzchni.
W Polsce tworzywa melaminowe znalazły trwałe zastosowanie w elektrotechnice, wyrobach gospodarstwa
domowego, medycynie, przemyśle opakowań i kosmetyce. Z tworzyw tych produkuje się naczynia domowe,
pokrętła i uchwyty, przełączniki, elementy maszyn elektrycznych, uchwyty do garnków, rączki czajników
popielniczki, pokrętła kuchenek gazowych.
5
Zalecane parametry przetwórstwa dla
Prasowanie
o
podgrzewanie
C
wstępne
o
temp. formy
C
ciśnienie prasowania
kp/cm
czas utwardzania
2
s
Prasowanie przetłoczne
podgrzewanie
wstępne
ciśnienie prasowania
czas utwardzania
o
C
kp/cm
2
s
tłoczyw melaminowych MF
Wtrysk
< 100
temp. cylindra
temp. dyszy
140 - 180
temp. formy
200 - 400
ciśnienie wtrysku
40 -200
ciśnienie plastyfikacji
140 - 170
czas utwardzania
o
C
C
o
C
kp/cm
2
85 - 105
90 -120
145 - 180
1000-2000
kp/cm
2
s
5 - 10
o
15 - 80
600 - 1200
30 - 120
1.4. Tłoczywa melaminowo-fenolowe
Tworzywa te stosowane są głównie na części techniczne, silnie obciążone mechaniczne. Niewielki skurcz
wtórny pozwala na uzyskanie z tych materiałów wyprasek o określonych tolerancjach wymiarowych. Wysoka
odporność na prądy pełzające i duża odporność na ścieranie pozwala na wykonywanie z tworzyw melaminowofenolowych elementów ruchomych, przenoszących duże naciski.
Tworzywa melaminowo- fenolowe w zależności od zastosowanego w nich wypełniacza dzieli
się na :
TYP 181 i 181.5 - tworzywo ogólnego stosowania, z wypełniaczem w postaci celulozy;
Typ 182
- tworzywo o poprawionych własnościach elektrycznych i ograniczonej chłonności
wody. Wypełniaczem jest w tym przypadku mączka drzewna i .
Typ 183
- Tłoczywo o podwyższonych własnościach mechanicznych i ograniczonym skurczu
wtórnym. Jako wypełniacz w tłoczywie tym zastosowano celulozę i
Tworzywa melaminowo-fenolowe stosowane są w przemyśle elektrotechnicznym na detale silnie obciążone
mechanicznie, od których wymaga się wysokiej odporności na prądy pełzające i temperaturę. Tworzywa te
charakteryzują się wysoką odpornością na ścieranie, stosowane są więc bardzo często na detale ruchome. Z
tłoczyw MPF wykonuje się min: elementy elektroniki, osłony aparatów elektrycznych, osłony liczników, korpusy
bezpieczników, silników małej mocy, korpusy lamp, uchwyty żelazek.
2.3. Tworzywa poliestrowe
Tłoczywa poliestrowe produkowane są w trzech podstawowych postaciach ;
- suchych i sypkich granulatów (UP)
- mas ciastowatych, wzmocnionych włóknem szklanym (BMC)
- poliestry na bazie nośnika jakim jest mata szklana (SMC)
Nienasycone Tłoczywa poliestrowe składają się z dwu głównych komponentów:
S otrzymanej w procesie kondensacji żywicy;
S monomerów styrenu, pełniących przed utwardzeniem rolę rozpuszczalnika. W czasie utwardzania tworzą
one podwójne wiązania z liniowymi cząsteczkami żywicy.
W skład gotowego tworzywa wchodzą również; środki przeciwdziałające skurczowi, materiały wzmacniające,
wypełniacze, środki uniepalniające, barwiące i rozdzielające. Najczęściej stosowanym materiałem
wzmacniającym jest krótkie lub długie niealkaliczne włókno szklane typu E. Rzadziej stosuje się wypełniacze
naturalne typu celuloza. W tłoczywach opracowywanych pod specjalne zastosowania próbuje się stosować jako
wzmocnienie włókna węglowe lub tworzywowe np.: poliamidowe.
Możliwości stosowania różnych typów wypełniaczy są teoretycznie nieograniczone. Praktycznie jednak ilość
stosowanych wypełniaczy jest ograniczona, gdyż wpływają one dość silnie na chemiczne własności
produkowanych tłoczyw. Najczęściej spotykane to kreda, kaolina i tlenki aluminium.
W skład receptury tłoczyw poliestrowych wchodzą również katalizatory. Odpowiedzialne są one za płynność i
długość czasu składowania tworzywa. Niestety nie zawsze można pogodzić równocześnie krótki czas
6
utwardzania i długi możliwy okres magazynowania materiału. W czasie przetwórstwa płynność tworzywa silnie
zależy od czasu i temperatury formy. Poprzez odpowiedni dobór katalizatorów można sterować procesem
utwardzania. Możliwe jest wykonanie przez producenta tworzywa wysoko lub nisko reaktywnego. W ten sposób
można również dostosowywać materiał do wymagań stawianych przez indywidualnego przetwórcę, do
stosowanej technologii przetwórstwa
Tłoczywa poliestrowe suche i sypkie.
Postać ta jest najbardziej rozpowszechniona, dzięki prostemu i łatwemu sposobowi przetwórstwa. Tworzywa
te produkowane są w dwu typach podstawowych oraz szeregu typów specjalnych.
TYP 802 - Granulat z krótkim włóknem szklanym w postaci standartowej lub bezpyłowy
granulat cylindryczny. Wypełniacz w postaci mączki mineralnej.
TYP 804 - UP + krótkie włókno szklane + mączka mineralna + dodatki
przeciwpalne. Tworzywo to jest samo gasnące.
Odmiany specjalne:
1. Odporne na ścieranie:
Tłoczywa te nadają się szczególnie na elementy ruchome dla zastosowań w elektrotechnice. Materiały te
cechują się b. wysoką wytrzymałością na ścieranie wobec metalu.
2. Odmiany o dużej odporności cieplnej
Tworzywa te można stosować jako zamiennik ceramiki na cokoły lamp, elementy bezpiecznikowe, części dla
elektrotechniki o wysokich własnościach elektroizolacyjnych
3. Odmiany odporne na płomień i łuk elektryczny.
Stosowane są do produkcji wyłączników i osłon, na części o wysokich własnościach mechanicznych i
elektrycznych, w motoryzacji na kopułki i palce rozdzielaczy
Tłoczywa te znajdują coraz szersze zastosowanie wypierając tłoczywa epoksydowe oraz zastępując (pomimo
znacznie wyższej ceny) tłoczywa fenolowe.
Tłoczywa poliestrowe ciastowate
BMC
Zaletą mas BMC w stosunku do wcześniej przedstawionych tłoczyw jest ich wysoka wytrzymałość
mechaniczna, szczególnie udarność i udarność z karbem, porównywalne własności elektryczne i niższa cena.
Obecnie oferujemy:
Typ 801 - tworzywo ujęte w normie DIN 16911 - nie palne
Typ 803 - tłoczywo o wysokich wł. mechanicznych elektrycznych
CIC Tworzywa poliestrowe otrzymywane metodą ciągłej impregnacji:
Tworzywa poliestrowe arkuszowe SMC
2.4. Tłoczywa epoksydowe
Tworzywa epoksydowe stanowią grupę materiałową o najwyższych własnościach w porównaniu z innymi
tworzywami. Cechuje je szereg właściwości nie występujących przy innych materiałach.
* są niewrażliwe na przehartowanie w procesie przetwórstwa,
* wypraski posiadają doskonałą stabilność wymiarową, praktycznie zerowy skurcz wtórny,
* wyroby wytrzymują doskonale długotrwałe obciążenia mechaniczne i termiczne,
* posiadają doskonałe własności elektryczne,
* wykazują wyśmienitą odporność na chemikalia,
Tworzywa epoksydowe można stosować w elektrotechnice na styczniki, przekaźniki, listwy zaciskowe, w
elektrotechnice samochodowej, na osłony, obudowy transformatorów silników, łopaty wirników pomp
próżniowych kolektory, wybieraki video i zawory.
Tworzywa allilowe stosowane są na: komutatory, wirniki, części elektrotechniczne bardzo silnie obciążone
mechanicznie.
7