СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PRODUCING ARTICLES FROM POWDER POLYMER MATERIALS (VERSIONS)

Изобретение относится к технологии получения изделий из полимерных материалов, в частности изделий из полимерных порошковых материалов, и может быть использовано при разработке новых технологий изготовления изделий из порошковых материалов различного функционального назначения.
Известны способы переработки пластмасс и изготовление изделий из них, которые можно классифицировать на основании физического состояния материала в момент формования:
- формование из полимеров, находящихся в вязкотекучем состоянии (литье под давлением, экструзия, прессование и др.);
- формование из полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии, обычно с использованием листов или пленочных заготовок (вакуумформование, пневмоформование, горячая штамповка и др.);
- формование из полимеров, находящихся в твердом (кристаллическом или стеклообразном) состоянии, основанное на способности таких полимеров проявлять высокоэластичность вынужденную (штамповка при комнатной температуре, прокатка и др.). Получение изделий перечисленными способами связано с высокой материалоемкостью и большими энергозатратами (Мулин Ю.А., Ярцев И.К., Пентапласт, Л., 1975; Справочник по пластическим массам, под ред. В.М.Катаева, 2 изд., т.1, М., 1975; Мулин Ю.А. Защитные покрытия и футеровки на основе термопластов. Л., 1984).
Известен «Способ получения заготовок из политетрафторэтилена» (а.с. №1752566, МПК B29C 43/56, B29C 67/04, опубл. 07.08.1992, Бюл. №29), в котором первичный порошок, например политетрафторэтилен, загружают в пресс-форму, прессуют при комнатной температуре при давлении 15-35 МПа, давление сбрасывают, нагревают заготовку вместе с пресс-формой до 340-400°С, вторично прессуют удельным давлением 5-500 МПа в течение заданного времени, затем давление сбрасывают до нуля, а охлаждение проводят также в пресс-форме.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым за прототип является «Способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе полимеров» (патент РФ №2266925, МПК C08J 5/00, В29С 43/56, опубл. 27.12.2005), включающий смешивание компонентов, холодное прессование заготовок и последующее их спекание. Операцию спекания заготовок проводят при 280-350°С в закрытой форме, обеспечивающей натяг в результате теплового расширения заготовки, с последующим охлаждением в форме. Заготовку можно подвергать предварительному механическому натягу. Спекание в закрытой форме с натягом можно осуществлять по двухступенчатому циклу с последующим отжигом. После спекания заготовку охлаждают в форме. Изобретение обеспечивает получение изделий из композиционных материалов на основе высоковязких полимеров с высокими прочностными и триботехническими характеристиками и положительным градиентом свойств по сечению, уменьшение продолжительности технологического цикла формирования изделий, уменьшение интенсивности термоокислительной деструкции компонентов материала. В известном способе спекание заготовки происходит при температуре, когда полимерная матрица находится в вязкотекучем состоянии, происходит увеличение удельного веса изделия, а, следовательно, его материалоемкость, увеличиваются энергозатраты.
Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является изготовление изделий из порошковых полимерных материалов с малым удельным весом, за счет обеспечения пористости изделия.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в уменьшении удельного веса и, следовательно, материалоемкости, а также в снижении энергозатрат при изготовлении изделий из порошковых полимерных материалов.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из порошковых полимерных материалов по первому варианту, включающем холодное прессование заготовок в закрытой форме, последующее их спекание и охлаждение, согласно изобретению спекание заготовок проводят при температуре ниже температуры плавления полимера с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему.
Температура спекания составляет не более 0,66 температуры плавления полимера, при этом спекание и охлаждение проводят в закрытой форме или на открытом пространстве.
В способе изготовления изделий из порошковых полимерных материалов по второму варианту, включающем смешивание, по меньшей мере, двух полимеров, холодное прессование заготовок в закрытой форме, последующее спекание и охлаждение, согласно изобретению спекание заготовок производят при температуре ниже температуры плавления более легкоплавкого полимера, с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему.
Температура спекания составляет не более 0,66 температуры плавления более легкоплавкого полимера, при этом спекание и охлаждение проводят в закрытой форме или в открытом пространстве.
На фиг.1 представлена пресс-форма для изготовления изделий из полимерных порошковых материалов.
На фиг.2 - фотографии образцов:
а) образец изделия, полученного при температуре спекания ниже температуры плавления полимера;
б) образец изделия, полученного при температуре спекания, равной температуре плавления полимера.
Здесь: 1 - пуансон верхний; 2 - матрица; 3 - прессуемый порошок; 4 - пуансон нижний.
Сущность способа заключается в том, что нагрев спрессованного изделия на основе полимера до температуры высокоэластического состояния, но до температуры не более 0,66 температуры плавления полимера, позволяет получить пористый жесткий каркас, способный сохранять свою форму и размеры. Предлагаемый способ позволяет изготавливать изделия из порошковых полимеров даже в тех случаях, когда температура плавления полимера близка к температуре деструкции и термоокислительной деструкции, так как полимер нагревается только до температуры не более 0,66 температуры его плавления, что значительно ниже температуры деструкции. Предлагаемый способ позволяет получить изделия с низким удельным весом из одного полимера или из смеси порошковых полимерных материалов с различной температурой плавления, при этом спекание смеси порошковых полимерных материалов проводят при температуре ниже температуры плавления более легкоплавкого полимера, который в высокоэластическом состоянии является связующим для других компонентов смеси.
2
2
2
2
n
3
По первому варианту в пресс-форму засыпают полимер в виде порошка, например пентопласт. Пентапласт [-CHC(CHCl)CHO-]. -бесцветный термопласт, степень кристалличности 20-30%, плотность 1,4 г/см, температура плавления 180°С. Осуществляют холодное прессование заготовки с последующим спеканием. Прессование заключается в деформировании некоторого объема порошкового тела обжатием, при котором происходит уменьшение первоначального объема и формирование заготовки (прессовки) заданной формы, размеров и свойств. При приложении давления 0,5-1,0 МПа к порошку его частицы пытаются занять наиболее устойчивое положение, что сопровождается их контактным смятием и сдвигом. Объем порошкового тела при прессовании уменьшается (относительная плотность порошкового тела увеличивается) в результате смещения отдельных частиц в пустоты между ними и за счет деформации частиц. Если после прессования заготовка не обладает достаточной прочностью, процесс спекания заготовки проводится в закрытой пресс-форме. Пресс-форму с изделием помещают в печь для дальнейшего нагрева до температуры не более 0,66 температуры плавления полимера с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему. Температура спекания составляла 110°С. После спекания пресс-форму охлаждают до температуры стеклования полимера, пресс-форма раскрывается, изделие вынимается.
Если после прессования заготовка обладает достаточной прочностью, то изделие вынимают из пресс-формы и помещают в печь (процесс спекания заготовки проводится в открытом пространстве), после чего заготовку охлаждают.
Материалоемкость изделия из пентапласта, полученного по данной технологии, на 6% ниже, чем при прессовании с температурой выше температуры плавления полимера.
Результаты испытания образцов представлены на фиг.2:
сп
пл
сп
пл
сп
0
сп
сп
0
сп
пл
а) образец изделия, полученный при температуре спекания t ниже температуры плавления t полимера (t=0,66 t), при этом плотность образца ρ=0,94 ρ, где ρ - плотность образца, полученного при температуре спекания t ниже температуры плавления полимера, ρ - плотность образца, полученного при температуре спекания t равной температуре плавления t полимера;
сп
пл
0
б) образец изделия, полученный при температуре спекания равной температуре плавления полимера (t=1,00 t), при этом ρ=1,00.
По второму варианту изделия получают из смеси порошковых полимерных материалов, для чего смешивают два или более полимера, в том числе с разными температурами плавления, и засыпают в пресс-форму, осуществляют холодное прессование заготовки и последующее спекание в закрытой форме или в открытом пространстве при температуре ниже температуры плавления более легкоплавкого полимера с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему, при этом легкоплавкий материал в высокоэластическом состоянии является связующим для других компонентов смеси, после чего заготовку охлаждают.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить материалоемкость изделий из порошковых полимерных материалов, за счет получения пористой структуры материала и уменьшить энергозатраты, за счет уменьшения давления прессования и снижения температуры нагрева спекаемого материала.
Предлагаемый способ может быть использован для получения изделий различного функционального назначения из порошковых полимерных материалов с уменьшенным удельным весом по сравнению с исходным материалом.