Контакты

Тверь
(4822) 52-03-14
(4822) 52-03-17
(4822) 52-00-14
info@expoelectro.ru

Киров
(8332) 45-08-54
(922) 995-08-54
exponenta43@gmail.com​

Челябинск
(351) 277-76-37
(906) 890-45-78
ural@expoelectro.ru

Санкт-Петербург
(812) 640-84-70
(962) 701-72-74
expoelectro@mail.ru

Москва
(926) 451-28-70
(901) 510-14-13
den1974@list.ru

Новосибирск
(383) 363-11-39
(383) 363-11-69
exponenta_nsk@ngs.ru

Новая жизнь реактопластов

Сырье и материалы/обзор

Пластикс№1-2(47-48) 2007г

Современные композиционные материалы на основе реактопластов- полиэфирные премиксы и препреги-благодаря своим уникальным свойствам с успехом заменяют металл и термопласты в различных отраслях промышленности. Высокопроизводительные и практически безотходные технологии изготовления изделий из этих материалов способствуют росту их популярности у переработчиков

Новая жизнь реактопластов

Полимер плюс стекло

При слове «реактопласт» у многих возникает ассоциация с черными хрупкими патронами для электролампочек. С фенолформальдегидными пресспорошками и волокнитами, когда-то многотоннажными, а теперь морально устаревшими.

Недостаточная прочность многих доступных реактопластов и термопластов является препятствием при использовании их в качестве конструкционных материалов в электротехнической и автомобильной промышленности. Использование же металла предполагает большое количество технологических операций, удорожающих конечное изделие, таких как штамповка, сварка, фрезерование, окраска и пр.

Прочность, жесткость, трудновоспламеняемость – характерные качества металла. Электроизоляционные свойства и стойкость к коррозии – характерные качества пластмасс. Как совместить эти качества в одном материале? Как укоротить производственную цепочку, уменьшить количество технологических операций (штамповка, сварка, фрезерование, окраска) и, соответственно затраты на оборудование?

Прочность, жесткость, трудновоспламеняемость – характерные качества металла. Электроизоляционные свойства и стойкость к коррозии – характерные качества пластмасс.Как совместить эти характеристики в одном материале? Как укоротить производственную цепочку, уменьшить количество технологических операций и, соответственно, затраты на оборудование?

Решением проблемы является использование полимерных композиционных материалов, армированных стекловолокном.

Существует много способов совместить полимерную термореактивную матрицу и стекловолокно. В большинстве способов стекловолокнистый армирующий материал остается неподвижным относительно формы, а связующее течет относительно наполнителя. В стекловолокнистых прессовочных материалах стеклянное волокно растекается вместе со связующим по форме под действием давления.

В 70-х годах 20 века, благодаря разработкам химиков фирмы BAYER в Европе и США появились тестообразные и листовые термореактивные полимерные компаунды на основе ненасыщенных полиэфирных смол, упрочненные стекловолокном, формующиеся в закрытой нагретой форме. Эти материалы получили название – BMC, DMC и SMC (сокращение от англ. bulk moulding compound, dough moulding compound и sheet moulding compound). В России за ними закрепились названия: «полиэфирные премиксы» и «полиэфирные препреги». Эти названия не совсем точны, но они характеризуют технологию изготовления похожих по составу материалов: премиксы получают смешением, препреги – пропиткой.

Таблица 1. "Сравнение конструкционных материалов"
Материал Сталь Al, Mg Термопласт Премикс(DMC/ВМС)
Возможность интегрирования деталей --- + +++ +++
Коэффициент использования материалов --- + +++ +++
Корозионностойкость --- --- ++ +++
Прочность +++ ++ --- ++
Жесткость +++ +++ --- ++
Вес --- --- +++ +++
Трудновоспламеняемость +++ ++ --- ++
Термостойкость +++ ++ --- ++
Повторное использование ++ ++ ++ ---
Электромагнитная проницаемость --- --- +++ +++

+++ положительно, --- отрицательно

Сферы применения композиционных реактопластов

Благодаря своим свойствам и высокой производительности процесса переработки полиэфирные премиксы и препреги получили широкое распространение в электротехнике (корпуса автоматических выключателей, держатели токонесущих шин, дугогасительные камеры, контактодержатели и т. д.), шахтном и взрывозащищенном электрооборудовании (корпуса выключателей, кабельные вводы), светотехнике (корпуса светильников, отражатели автомобильных фар головного света), коммуникационной технике (распределительные коробки и щиты, элементы антенн мобильной связи), бытовой технике (корпуса электромоторов, термоизолирующие детали утюгов, тостеров и пр.), автомобильной промышленности (поддоны картера, клапанные крышки, аккумуляторные ящики, бампера, элементы оперения).

Премиксы и препреги применяются в крупносерийном производстве - там, где требуемое количество деталей составляет 10 000 – 250 000 штук в год.

Объем современного европейского рынка полиэфирных прессматериалов составляет примерно 280 000 тонн в год. В электротехнике используется 100 000 тонн в год, в автомобильной промышленности – 130 000 тонн в год. В России и на Украине производится и перерабатывается около 3 000 тонн в год премиксов и препрегов.

Ежемесячно в России для изготовления корпусов низковольтной аппаратуры перерабатываются сотни тонн полимерных композиционных материалов (комплект корпусных деталей одного изделия может весить от нескольких десятков грамм до десяти килограмм и более) на основе как термопластов, так и реактопластов.

Развивающаяся конкуренция на рынке электротехнической продукции, а так же ориентация на международные стандарты всё чаще приводят конструкторов предприятий к техническим решениям по замене фенопластов на стеклонаполненные композиционные материалы (в т.ч. премиксы) для изготовления корпусных деталей электротехнического назначения. Лишь там, где требуются более высокие физико-механические характеристики, применяются фенольные стекловолокниты.

Детали из полиэфирных прессматериалов применяют: ведущие мировые производители электротехники – Сименс, Шнайдер Электрик, АВВ, Дженерал Электрик, Митсубиcи Электрик и т.д.;
производители бытовой техники – «Ровента», «Тефаль», «Миле» и т. д.;
крупнейшие автопроизводители – «Форд», «Тойота», «Вольво», «Фрейтлайнер», ВАЗ, КАМАЗ и т. д.

Полиэфирные премиксы и их свойства

Премикс (BMC, DMC) представляет собой тестообразную волокнистую массу. В его состав входят ненасыщенные полиэфирные смолы, рубленое стекловолокно, дисперсный минеральный наполнитель, пигменты и другие добавки.

премикс DMS

В качестве полимерной матрицы в премиксах используются ортофталевые, изофталевые и ненасыщенные полиэфирные смолы. Прессматериал на основе изофталевых смол обладает повышенной стойкостью к действию разбавленных кислот и щелочей. Премикс типа DMC отличаются высоким наполнением минеральными наполнителями. Для дополнительного увеличения вязкости связующего премиксов типа BMC используются химические загустители. Благодаря высокой вязкости связующего армирующее стекловолокно равномерно распределяется в объеме изделия при переработке. Длина и количество стекловолокна варьируется в широких пределах для придания прессматериалу нужных физико-механических свойств и регулирования текучести в форме.

Выдающимися отличительными свойствами премиксов являются: жесткость и прочность, высокая текучесть в форме, малая усадка, хорошее качество поверхности, высокая скорость отверждения, высокая дугостойкость и трекингостойкость.

К недостаткам премиксов можно отнести общую для всех реактопластов неспособность к вторичной переработке, а так же ограниченный срок хранения материала.

Большое суммарное содержание наполнителей обеспечивает жесткость и прочность отвержденного материала. Высокая текучесть неотвержденного прессматериала под давлением позволяет перерабатывать его литьем и получать малогабаритные, тонкостенные (толщина стенок до 1 - 2 мм.) детали сложной конфигурации.

Диаграмма 2 «Сравнительная прочность конструкционных материалов» Диаграмма 3 «Трекингостойкость полимерных конструкционных материалов».

Введение специальных добавок позволяет управлять свойствами прессматериалов. Высокая точность размеров и хорошее качество поверхности деталей обеспечиваются наличием в композиции малоусадочных и низкопрофильных добавок. Усадка варьируется от 0.5% до 0%.

Добавление антипиренов позволяет добиться воспламеняемости ПВ 0 (V-0 по UL-94).

Введение добавок, снижающих поверхностное электрическое сопротивление материала, позволяет исключить накопление на деталях из премикса зарядов статического электричества. Премикс с антистатическими свойствами используется для изготовления деталей шахтного и взрывозащищенного оборудования.

Отверждение прессматериала в форме идет по свободнорадикальному механизму. Благодаря высокой реакционной способности композиции время цикла получается коротким, степень отверждения - максимальной. Не требуются подпрессовки и постотверждение изделий.

Диаграмма 4 «Скорость отверждения прессматериалов»

Таблица 2. "Физико-механические поазатели премиксов DMC"
Наименование показателей DMC-20-PM DMC-30-B DMC-10-PKM DMC-18-T DMC-20-OPMT DMC-30-OPMT
Изгибающее напряжение при разрушении, МПа (кгс/см?), не менее 100 (1000) 130 (1300) 60 (600) 80 (800) 100 (1000) 110 (1100)
Ударная вязкость, кДж/м? (кгс/см?) не менее 30 (300) 35 (35) 10 (10) 20 (20) 30 (30) 30 (30)
Электрическая прочность при частоте 50Гц, кВэфф/мм, не менее 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Водопоглащение при t°=(23±2) С за (24±1)часа, % не более 0,08 0,08 0,08 - 0,08 0,08
Линейная усадка, % не более 200 200 80 180 200 200
Теплостойкость по Мартенсу, °С, не менее 200 200 200 200 200 200
Дугостойкость, сек., не менее 500 500 500 500 500 500
Трекингостойкость, В, не менее 500 500 500 500 500 500
Удельное объемное сопротивление, Ом·см, не менее 1?1014 1?1013 1?1014 5?1013 1?1014 1?1014
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее 1?1014 1?1013 1?1014 5?1013 1?1014 1?1014

технологии производства деталей из премиксов

Основным технологическим процессом производства изделий из премиксов в зарубежных странах является литье под давлением на реактопластавтоматах. Отличительные черты литьевых машин для переработки реактопластов – холодный материальный цилиндр и обогреваемая форма. При этом тестообразный премикс подается в материальный цилиндр принудительно – плунжерным загрузчиком. Литье под давлением высокопроизводительно, практически исключает контакт материала и человека, практически не образуется облой. Объем отливаемых деталей достигает 7000 см3. Применяемые за рубежом для литья под давлением премиксы, содержат летучие активные мономеры. Это налагает ограничения на хранение и упаковку. Срок хранения стиролсодержащих прессматериалов составляет от одного до трех месяцев в герметичной упаковке с барьерными свойствами.

Производители автомобильных фар головного света (зарубежные, а вслед за ними и отечественные) заменили штампованный стальной отражатель композитным. Деталь отливается из премикса, а затем отражающая поверхность металлизируется. Объем европейского рынка композитных отражателей фар оценивается в 25 000 тонн в год.

Фото 2 «Рефлектор из премикса в фарах головного света»

Теплостойкость и качественный внешний вид (глянец, окрашивание в белый цвет) позволяют ведущим производителям бытовой техники применять премикс для термоизолирующих деталей утюгов, тостеров.

Термоизолирующая вставка

В Советском Союзе не было налажено производство реактопластавтоматов, поэтому тогда и сейчас основным процессом переработки премиксов в СНГ является прямое прессование. С точки зрения технологического оформления и необходимого уровня персонала этот процесс является более простым и дешевым, чем литье под давлением. По западным стандартам он считается менее прогрессивным из-за меньшей производительности и ограничений в автоматизации. Но, учитывая наличие огромного парка гидравлических прессов, готовых пресс-форм, сравнительно низкую стоимость рабочей силы, прессование является конкурентоспособным процессом. Кроме того, прессованием можно перерабатывать премикс, имеющий более высокие прочностные характеристики.

Премиксы: сделано в России

Дозирование реактопластов в прессформу в российских условиях является ручным процессом. Ручное дозирование подразумевает дополнительные затраты на СИЗ и вентиляцию из-за выделения активного мономера в воздух рабочей зоны. (Хотя, выделяющийся в случае переработки стиролсодержащих премиксов стирол, менее опасен, чем фенол из фенопластов. ПДК стирола в 100 раз больше, чем ПДК фенола). Поэтому в отличие от зарубежных компаний, отечественные производители изготавливают премикс без использования смол, содержащих летучие мономеры (стирол и др.). Так называемый «безстирольный» премикс содержит мало - или нелетучие компоненты. Это позволяет значительно улучшить санитарные условия на рабочем месте, а так же увеличить срок хранения материала (до одного года) и удешевить упаковку. Увеличение срока хранения немаловажно для российских расстояний и сроков доставки (доставка материала по железной дороге из Центрального региона до Восточной Сибири может занимать несколько недель).

Детали низковольтной аппаратуры из премикса

Подробнее остановимся на наиболее распространенных в России марках премиксов:

Условное обозначение марки премикса состоит из трех частей, сорта и обозначения технических условий (ТУ 22530130020496101, разработчик ОАО «Тверьстеклопластик»).

Первая часть:буквы «DМС» обозначают тип прессматериала (англ. dough moulding compound – тестообразный формовочный компаунд)

Вторая часть:цифры: 10, 18, 20, 30 – максимальная доля стекловолокна в процентах.

Третья часть:буквы, обозначают:

М – с малой усадкой (до 0,02 %),

К – с повышенной текучестью,

О – пониженной горючести,

Т – тропикостойкий,

В – повышенная прочность изделия из этого материала,

Р – с повышенной реакционной способностью (скоростью отвердевания).

В настоящее время комбинируя эти свойства существуют следующие марки премиксов:

DМС-20-РМ– предназначен для переработки в изделия конструкционного, электротехнического и общетехнического назначения методами прессования и литья под давлением;

DМС-30-B– материал повышенной прочности предназначен для переработки в изделия конструкционного, электротехнического и общетехнического назначения методом прессования;

DМС-20-ОРМТ– предназначен для изготовления методом прессования деталей конструкционного, электротехнического назначения пониженной горючести;

DМС-30-ОРМТ– предназначен для изготовления конструкционных деталей в пожаробезопасном исполнении с повышенными физикомеханическими показателями;

DМС-18-Т– предназначен для переработки прессованием и литьем под давлением в изделия электротехнического назначения, имеющих сложный контур, разнотолщинность или тонкие стенки (12 мм);

DМС-10-РКМ– предназначен для опрессовки катушек соленоидов.

Производство и переработка препрегов

Полиэфирный препрег (SMC) представляет собой листовой прессматериал, с двух сторон защищенный полимерной пленкой. В его состав также входят полиэфирные ненасыщенные смолы, стекловолокно, дисперсный минеральный наполнитель, пигменты и прочие добавки. В отличие от своих тканых собратьев, SMC армирован не связанными между собой стеклянными волокнами. Поэтому он не требует выкройки заготовки по размеру детали и может свободно течь в прессформе. Из-за значительно большей, по сравнению с премиксами, длины стекловолокна препреги имеют меньшую текучесть, но более высокие прочностные характеристики. Применение химстойких смол позволяет получать прессматериал, обладающий высокой атмосферостойкостью.

Фото 5 «Препрег АП»

Таблица 3. "Физико-механические показатели отечественных препрегов"
Наименование показателей АП-66 ППСМ-СХ
Разушающее напряжение при растяжени, МПа, не менее 90 -
Изгибающее напряжени при разрушении, МПа, не менее 180 200
Ударная вязкость, кДж/м?, не менее 70 100
Электрическая прочность при частоте 50 Гц,кВэфф/мм, не менее - 10
Водопоглощение при t° (23±2)°C за (24±1) часа, %, не более - 0.5
Линейная усадка, %, не более - 0,4
Удельное обхемное электрическое сопротивление, Ом·см, не менее - 1?1014
Удельное поверхностное электрическое сопротивление , Ом, не менее - 1?1013

Препрег перерабатывается прямым прессованием в крупногабаритные корпусные детали. Прессование препрегов – крупносерийное производство. Так же как из премиксов, изделия из препрегов имеют хороший внешний вид и не требуют покраски и лакировки. Таким образом, один производственный процесс – прессование препрега заменяет несколько (штамповка из листа, сварка, оцинковка, покраска) стадий изготовления металлической детали.

Основными областями применения препрегов (SMC) являются: автомобилестроение, транспортное машиностроение, светотехника, электрические сети. Наиболее ярким достижением является использование автомобилестроительными компаниями масляных поддонов картера и клапанных крышек, изготовленных из препрега, в серийных моделях грузовиков. Потребление препрегов в автомобильной промышленности Европы составляет около 90 000 тонн в год.

Фото 6 «Уличный светильник с корпусом из препрега» Фото 7 «Детали двигателя из препрега (ТАТА)» Диаграмма 5 «Использование деталей из препрега в грузовых автомобилях»

По мере преодоления промышленностью России технологического отставания объем использования в нашей стране полиэфирных прессматериалов будет увеличиваться с каждым годом.

Заместитель начальника отдела продаж
ОАО «Тверьстеклопластик» Нестеров С. П.