Способ изготовления изделий из порошковых полимерных материалов (варианты)
Владельцы патента RU 2404055:
Байгалиев Борис Ергазович (RU)
Хомякова Людмила Борисовна (RU)
Газизянов Руслан Закирзянович (RU)
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 различного функционального назначения. Способ по первому варианту включает холодное прессование заготовок из порошковых полимерных материалов, последующее их спекание при температуре ниже температуры плавления полимера с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему и охлаждение, при этом температура спекания составляет не более 0,66 температуры плавления полимера. Способ по второму варианту включает смешивание, по меньшей мере, двух полимеров с разной температурой плавления, холодное прессование заготовок, последующее спекание при температуре ниже температуры плавления более легкоплавкого полимера с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему и охлаждение, при этом температура спекания составляет не более 0,66 температуры плавления более легкоплавкого полимера. Спекание и охлаждение заготовок осуществляют в закрытой форме или в открытом пространстве. Технический результат при использовании заявленных изобретений позволяет уменьшить материалоемкость изделий из порошковых полимерных материалов, уменьшить энергозатраты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
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.
По первому варианту в пресс-форму засыпают полимер в виде порошка, например пентопласт. Пентапласт [-CH2C(CH2Cl)2CH2O-]n. -бесцветный термопласт, степень кристалличности 20-30%, плотность 1,4 г/см3, 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:
а) образец изделия, полученный при температуре спекания tсп ниже температуры плавления tпл полимера (tсп=0,66 tпл), при этом плотность образца ρсп=0,94 ρ0, где ρсп - плотность образца, полученного при температуре спекания tсп ниже температуры плавления полимера, ρ0 - плотность образца, полученного при температуре спекания tсп равной температуре плавления tпл полимера;
б) образец изделия, полученный при температуре спекания равной температуре плавления полимера (tсп=1,00 tпл), при этом ρ0=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.
1. Способ изготовления изделий из порошковых полимерных материалов, включающий холодное прессование заготовок в закрытой форме, последующее спекание с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему заготовки и охлаждение, отличающийся тем, что температура спекания полимера составляет не более 0,66 температуры его плавления.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание и охлаждение заготовок осуществляют в закрытой форме или в открытом пространстве.
3. Способ изготовления изделий из порошковых полимерных материалов, включающий холодное прессование заготовок в закрытой форме, последующее спекание с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему заготовки и охлаждение, отличающийся тем, что перед прессованием смешивают, по меньшей мере, два полимера, имеющих разные температуры плавления, а температура спекания составляет не более 0,66 температуры плавления более легкоплавкого полимера.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что спекание и охлаждение заготовок осуществляют в закрытой форме или в открытом пространстве.
