Технология получения неметаллических конструкционных материалов

Компаунды

Компаундами называются электроизоляционные композиции на основе полимеров, олигомеров или мономеров, предназначенные для заливки или пропитки токопроводящих схем и деталей в электро- и радиоаппаратуре с целью их монолитизации и изоляции.

По назначению компаунды  подразделяются на пропиточные, заливочные и обмазочные.

Пропиточные компаунды применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью монолитизации витков обмоток и защиты их от влаги.

Заливочные  компаунды используют для заливки полостей в кабельных муфтах и воронках, а также в корпусах электрических аппаратов, например трансформаторов тока, дросселей и т.п. Они позволяют получать изделия в виде малогабаритных монолитных блоков любой конфигурации, не требующих дополнительной механической обработки.

Обмазочные  компаунды применяют для обмазки лобовых частей обмоток электрических машин с целью защиты их от влаги, масла и других внешних воздействий. По природе связующего компаунды можно разбить на две

группы: термопластичные  и термореактивные.

Термопластичные компаунды изготавливают на основе битумов, воскообразных диэлектриков (парафина, церезина и др.), термопластичных

полимеров (полистирола, полиметилметакрилата).

Термореактивные компаунды выпускаются на основе эпоксидных, полиэфирных, кремнийорганических и других смол. Для пропитки обмоток электрических машин применяют битумный пропиточный компаунд №225, обладающий низкой плотностью (920... 1100 кг/м3), морозостойкостью до -25°С, хорошими диэлектрическими свойствами. Удельное объемное сопротивление ρv=1015...1016 Ом⋅м, электрическая прочность Епр = 18... 20 кВ/мм. Температура размягчения этих компаундов составляет 98...102°С, усадка – 7...8%. Для заливки концевых воронок и полостей в кабельных со-

единениях напряжением  до 10 кВ применяют битумные заливочные компаунды МБ-70, МБ-90, МБМ-1, МБМ-2. Компаунд МБ-70, имеющий низкую морозостойкость (-15°С), используется для заливки  муфт, прокладываемых в земле. Остальные, обладающие морозостойкостью до -35...-45°С, применяют при монтаже наружных установок. По электрическим свойствам они близки к компаунду пропиточному ρv=1015...1016 Ом⋅м,

Епр=15...18 кВ/мм. Усадка при отверждении – 7...9%. Из битумных обмазочных компаундов наиболее широко используется компаунд 4401. Эпоксидные компаунды отличаются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, мало изменяющимися при длительном нагреве до 120...140°С. В зависимости от типа отвердителя компаунды могут быть холодного и горячего отверждения. Компаунды холодного отверждения могут применяться при длительном воздействии температур до 120°С,

а горячего отверждения  – до 160°С длительно и до 200°С кратковременно. Наиболее распространенные компаунды  – ЭЗК-6 и ЭПК-1. Плотность компаундов 1220... 1230 кг/м3, удельное объемное сопротивление ρv = 1016...l017 Ом⋅м, электрическая прочность Епр=16...18 кВ/мм.

Полиэфирные компаунды изготавливают на основе хорошо растворимых в непредельных соединениях ненасыщенных полиэфирных смол, которые при нагреве в присутствии инициаторов превращаются в трехмерные твердые полимеры. По механическим свойствам полиэфирные компаунды несколько уступают эпоксидным. Допускаемая температура эксплуатации их до 120°С, морозостойкость до -60°С. Выпускаются компаунды КГМС-1, КГМС-2, КП-10, КП-18, имеющие хорошие диэлектрические свойства: ρv= 1015 Ом⋅м, Епр для КГМС-1 составляет 18 кВ/мм, а для КП-10 – 25 кВ/мм. Тангенс угла диэлектрических потерь – 0,04.

На  основе кремнийорганических смол выпускаются компаунды холодного (КЛ, ВИКСИНТ, ВТО) и горячего (К-67) отверждения. Эти компаунды обладают хорошими диэлектрическими свойствами, мало изменяющимися при повышенных температурах и во влажной среде: ρv=1015...1016 Ом⋅м,

Епр = 15...32 кВ/мм, tgδ = 0,003...0,04.

Meтакрилатные  компаунды выпускают марок МБК-1 (без пластификатора) и МБК-2, МБК-3 (пластифицированные). При отверждении они дают усадку 5...6%. Эти компаунды обладают следующими диэлектрическими свойствами: МБК-1 – ρv= 1016 Ом⋅м, Епр= 20...28 кВ/мм, tg5 = 0,06; МБК-2, МБК-3 – ρv = 1014... 1015 Ом⋅м, Епр= 18...21 кВ/мм, tg5 = 0,04...0,09.

Полиуретановые  компаунды, имеют высокие морозостойкость (до -80°С) и эластичность. Однако у них невысокая механическая прочность, более низкие диэлектрические свойства и значительная их зависимость от температуры при нагреве выше 80°С. Компаунды марок КТ-102 и КГ-102 полимеризуются при температуре 60°С и имеют ρv=1013 Ом⋅м, Епр=17 кВ/мм. Компаунды К-30 и К-31 полимеризуются при температуре 80°С и

обладают более низкой электрической прочностью (Епр= 6,5 кВ/мм). Усадка при отвердении – 7…9%. Из битумных обмазочных компаундов наиболее широко используется компаунд 4401.

Производство резины

Пластикация

Одно из важнейших  свойств каучука – пластичность – используется в производстве резиновых изделий. Чтобы смешать каучук с другими ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить, или пластицировать, путем механической или термической обработки. Этот процесс называется пластикацией каучука. Открытие Т .Хэнкоком в 1820 возможности пластикации каучука имело огромное значение для резиновой промышленности. Его пластикатор состоял из шипованного ротора, вращающегося в шипованном полом цилиндре; это устройство имело ручной привод. В современной резиновой промышленности используются три типа подобных машин до ввода других компонентов резиновой смеси в каучук. Это – каучукотерка, смеситель Бенбери и пластикатор Гордона. Использование грануляторов – машин, которые разрезают каучук на маленькие гранулы или пластинки одинаковых размеров и формы, – облегчает операции по дозировке и управлению процессом обработки каучука. каучук подается в гранулятор по выходе из пластикатора. Получающиеся гранулы смешиваются с углеродной сажей и маслами в смесителе Бенбери, образуя маточную смесь, которая также гранулируется. После обработки в смесителе Бенбери производится смешивание с вулканизующими веществами, серой и ускорителями вулканизации.

Приготовление смеси для будущей резины

Химическое  соединение только из каучука и серы имело бы ограниченное практическое применение. Чтобы улучшить физические свойства каучука и сделать его более пригодным для эксплуатации в различных применениях, необходимо модифицировать его свойства путем добавления других веществ. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед вулканизацией, включая серу, называются ингредиентами резиновой смеси. Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их назначение – модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и увеличить стойкость к истиранию, маслам, кислороду, химическим растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных применений используются различные составы. Ускорители и активаторы. Некоторые химически активные вещества, называемые ускорителями, при использовании вместе с серой уменьшают время вулканизации и улучшают физические свойства каучука. Примерами неорганических ускорителей являются свинцовые белила, свинцовый глет (монооксид свинца), известь и магнезия (оксид магния). Органические ускорители гораздо более активны и являются важной частью почти любой резиновой смеси. Они вводятся в смесь в относительно малой доле: обычно бывает достаточно от 0,5 до 1,0 части на 100 частей каучука. Большинство ускорителей полностью проявляет свою эффективность в присутствии активаторов, таких, как окись цинка, а для некоторых требуется органическая кислота, например стеариновая. Поэтому современные рецептуры резиновых смесей обычно включают окись цинка и стеариновую кислоту. Мягчители и пластификаторы. Мягчители и пластификаторы обычно используются для сокращения времени приготовления резиновой смеси и понижения температуры процесса. Они также способствуют диспергированию ингредиентов смеси, вызывая набухание или растворение каучука. Типичными мягчителями являются парафиновое и растительные масла, воски, олеиновая и стеариновая кислоты, хвойная смола, каменноугольная смола и канифоль. Упрочняющие наполнители. Некоторые вещества усиливают каучук, придавая ему прочность и сопротивляемость износу. Они называются упрочняющими наполнителями. Углеродная (газовая) сажа в тонко измельченной форме – наиболее распространенный упрочняющий наполнитель; она относительно дешева и является одним из самых эффективных веществ такого рода. Протекторная резина автомобильной шины содержит приблизительно 45 частей углеродной сажи на 100 частей каучука. Другими широко используемыми упрочняющими наполнителями являются окись цинка, карбонат магния, кремнезем, карбонат кальция и некоторые глины, однако все они менее эффективны, чем газовая сажа. Наполнители. На заре каучуковой промышленности еще до появления автомобиля некоторые вещества добавлялись к каучуку для удешевления получаемых из него продуктов. Упрочнение еще не имело большого значения, и такие вещества просто служили для увеличения объема и массы резины. Их называют наполнителями или инертными ингредиентами резиновой смеси. Распространенными наполнителями являются бариты, мел, некоторые глины и диатомит. Антиоксиданты. Использование антиоксидантов для сохранения нужных свойств резиновых изделий в процессе их старения и эксплуатации началось после Второй мировой войны. Как и ускорители вулканизации, антиоксиданты – сложные органические соединения, которые при концентрации 1–2 части на 100 частей каучука препятствуют росту жесткости и хрупкости резины. Воздействие воздуха, озона, тепла и света – основная причина старения резины. Некоторые антиоксиданты также защищают резину от повреждения при изгибе и нагреве. Пигменты. Упрочняющие и инертные наполнители и другие ингредиенты резиновой смеси часто называют пигментами, хотя используются и настоящие пигменты, которые придают цвет резиновым изделиям. Оксиды цинка и титана, сульфид цинка и литопон применяются в качестве белых пигментов. Желтый крон, железоокисный пигмент, сульфид сурьмы, ультрамарин и ламповая сажа используются для придания изделиям различных цветовых оттенков.

Каландрование

После того как  сырой каучук пластицирован и  смешан с ингредиентами резиновой  смеси, он подвергается дальнейшей обработке  перед вулканизацией, чтобы придать  ему форму конечного изделия. Тип обработки зависит от области применения резинового изделия. На этой стадии процесса широко используются каландрование и экструзия. Каландры представляют собой машины, предназначенные для раскатки резиновой смеси в листы или промазки ею тканей. Стандартный каландр обычно состоит из трех горизонтальных валов, расположенных один над другим, хотя для некоторых видов работ используются четырехвальные и пятивальные каландры. Полые каландровые валы имеют длину до 2,5 м и диаметр до 0,8 м. К валам подводятся пар и холодная вода, чтобы контролировать температуру, выбор и поддержание которой имеют решающее значение для получения качественного изделия с постоянной толщиной и гладкой поверхностью. Соседние валы вращаются в противоположных направлениях, причем частота вращения каждого вала и расстояние между валами точно контролируются. На каландре выполняются нанесение покрытия на ткани, промазка тканей и раскатка резиновой смеси в листы.

Экструзия

Экструдер применяется  для формования труб, шлангов, протекторов шин, камер пневматических шин, уплотнительных прокладок для автомобилей и других изделий. Он состоит из стального цилиндрического корпуса, снабженного рубашкой для нагрева или охлаждения. Плотно прилегающий к корпусу шнек подает невулканизованную резиновую смесь, предварительно нагретую на вальцах, через корпус к головке, в которую вставляется сменный формующий инструмент, определяющий форму получаемого изделия. Выходящее из головки изделие обычно охлаждается струей воды. Камеры пневматических шин выходят из экструдера в виде непрерывной трубки, которая потом разрезается на части нужной длины. Многие изделия, например уплотнительные прокладки и небольшие трубки, выходят из экструдера в окончательной форме, а потом вулканизуются. Другие изделия, например протекторы шин, выходят из экструдера в виде прямых заготовок, которые впоследствии накладываются на корпус шины и привулканизовываются к нему, меняя свою первоначальную форму.

Вулканизация

Далее необходимо вулканизовать заготовку, чтобы  получить готовое изделие, пригодное к эксплуатации. Вулканизация проводится несколькими способами. Многим изделиям придается окончательная форма только на стадии вулканизации, когда заключенная в металлические формы резиновая смесь подвергается воздействию температуры и давления. Автомобильные шины после сборки на барабане формуются до нужного размера и затем вулканизуются в рифленых стальных формах. Формы устанавливаются одна на другую в вертикальном вулканизационном автоклаве, и в замкнутый нагреватель запускается пар. В невулканизованную заготовку шины вставляется пневмомешок той же формы, что и камера шины. По гибким медным трубкам в него запускаются воздух, пар, горячая вода по отдельности или в сочетании друг с другом; эти служащие для передачи давления текучие среды раздвигают каркас шины, заставляя каучук втекать в фасонные углубления формы. В современной практике технологи стремятся к увеличению числа шин, вулканизуемых в отдельных вулканизаторах, называемых пресс-формами. Эти литые пресс-формы имеют полые стенки, обеспечивающие внутреннюю циркуляцию пара, горячей воды и воздуха, которые подводят тепло к заготовке. В заданное время пресс-формы автоматически открываются. Были разработаны автоматизированные вулканизационные прессы, которые вставляют в заготовку шины варочную камеру, вулканизуют шину и удаляют варочную камеру из готовой шины. Варочная камера является составной частью вулканизационного пресса. Камеры шин вулканизуются в сходных пресс-формах, имеющих гладкую поверхность. Среднее время вулканизации одной камеры составляет около 7 мин при 155° С. При меньших температурах время вулканизации возрастает. Многие изделия меньшего размера вулканизуются в металлических пресс-формах, которые размещаются между параллельными плитами гидравлического пресса. Плиты пресса внутри полые, чтобы обеспечить доступ пара для нагрева без непосредственного контакта с изделием. Изделие получает тепло только через металлическую пресс-форму. Многие изделия вулканизуются нагревом в воздухе или углекислом газе. Прорезиненная ткань, одежда, плащи и резиновая обувь вулканизуются таким способом. Процесс обычно проводится в больших горизонтальных вулканизаторах с паровой рубашкой. Резиновые смеси, вулканизуемые сухим теплом, обычно содержат меньшую добавку серы, чтобы исключить выход части серы на поверхность изделия. Для уменьшения времени вулканизации, которое, как правило, больше, чем при вулканизации открытым паром или под прессом, используются вещества-ускорители. Некоторые резиновые изделия вулканизуются погружением в горячую воду под давлением. Листовой каучук наматывается между слоями муслина на барабан и вулканизуется в горячей воде под давлением. Резиновые груши, шланги, изоляция для проводов вулканизуются в открытом паре. Вулканизаторы обычно представляют собой горизонтальные цилиндры с плотно подогнанными крышками. Пожарные шланги вулканизуются паром с внутренней стороны и таким образом играют роль собственных вулканизаторов. Каучуковый шланг втягивается вовнутрь плетеного хлопчатобумажного шланга, к ним прикрепляются соединительные фланцы и внутрь заготовки на заданное время под давлением нагнетается пар. Вулканизация без подвода тепла может проводиться с помощью хлористой серы S2Cl2 путем либо погружения в раствор, либо воздействия паров. Только тонкие листы или такие изделия, как фартуки, купальные шапочки, напальчники или хирургические перчатки, вулканизуются таким способом, поскольку реакция протекает быстро, а раствор при этом не проникает глубоко в заготовку. Дополнительная обработка аммиаком необходима для удаления кислоты, образующейся в процессе вулканизации.

Пластмассы

Пластмассы - органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры).

Исключительно широкое  применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров. Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формоваться и сохранять после охлаждения или отверждения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное. В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий, пластмассы делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры

Термопластичные полимеры при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в вязкотекучее, а при охлаждении вновь затвердевают. Это свойство термопластичные полимеры сохраняют при многократных нагревах. К термопластичным полимерам относятся полиолефины, полиамиды, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны. Термопласты имеют невысокую температуру перехода в вязкотекучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Применяются термопласты в качестве диэлектриков (изоляторов), химически стойких конструкционных материалов, прозрачных оптических стекол, пленок, волокон, а также в качестве связующих для получения композиционных материалов, лаков, клеев и др.

Полиэтилен, молекула которого состоит из многократно повторяющегося звена [- CH2 - CH2 - ]n, представляет собой продукт полимеризации этилена. Это относительно твердый и упругий материал, без запаха, белый в толстом слое и прозрач ный в тонком. Для получения окрашенных полимеров применяют органические красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок). Полиэтилен различается по плотности, которая зависит от технологии получения. Различают полиэтилен низкого (ПЭНД), высокого (ПЭВД) и среднего (ПЭСД) давления. Чем выше давление, при котором получают полиэтилен, тем выше его плотность, степень кристалличности, прочность, твердость и теплостойкость материала.

Полиэтилен легко перерабатывается различными методами, сваривается при изготовлении изделий сложной конфигурации, устойчив к ударным и вибрационным нагрузкам, агрессивным средам и воздействию радиации, обладает высокой морозостойкостью (до -70°С). Однако в присутствии сильных окислителей (растворы азотной кислоты и перекиси) материалы на основе полиэтилена разрушаются. Полиэтилен также склонен к старению при воздействии на него света. Для подавления необратимых процессов старения полиэтилена в него (как и в другие термопласты) вводят специальные добавки – стабилизаторы: антиоксиданты, антиозонаты, светостабилизаторы, антипирены (для снижения горючести), антистатики, а также антимикробные компоненты (ртуть, мышьяк, соединения олова и др.) и пластификаторы. Так, введение в полиэтилен в процессе его синтеза и переработки 2...3% сажи и 0,1% аминов позволяет замедлить процесс его старения в 30 раз. Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, изоляции высокочастотных проводов и кабелей, радиотехнических деталей, а также в качестве защитных покрытий металлов от коррозии.