Формование на подложке

При получении ряда изделий используются комбинированные материалы, представляющие собой сочетание основы (ткань, бумага, нити, войлок) с полимером. К таким материалам относятся: искусственная кожа; нетканые рулонные материалы; линолеум; заготовки для получения гетинакса, декоративных бумажных слоистых пластиков, текстолита, стеклопластиков; дублированные пленки и т. д.

Для их получения применяют: пропитку основы полимерными растворами или расплавами; промазку основы пастами, содержащими полимер; дублирование двух и более пленочных материалов, а также отливку на подложку полимерной пленки из раствора. В этом последнем случае сформованная пленка эксплуатируется самостоятельно, без подложки.

Пропитка основы полимерными растворами и расплавами

Пропитка (импрегнирование) представляет собой процесс заполнения пор и капилляров основы (наполнителя) жидким связующим. Пропитка является промежуточной стадией при получении стеклопластиков, слоистых пластиков, пресс-порошков, волокнитов, кордных нитей и тканей, а также искусственных кож и нетканых волокнистых материалов.

Связующее при пропитке используется в виде растворов и дисперсий олигомеров или полимеров, низковязких расплавов, а также жидких мономеров, полимеризующихся на последующих стадиях процесса получения изделий. В состав пропитывающих растворов вводятся отвердители, инициаторы, ускорители отверждения термореактивных олигомеров, а для улучшения смачиваемости основы пропитывающим раствором добавляют поверхностно-активное вещество (ПАВ).

Пропитываемый наполнитель может быть как непрерывным, так и дисперсным (древесная мука, шпон, рубленое волокно, хлопковые очесы).

Пропитываемость наполнителя связующим описывается уравнением Дарси:

где V— прирост содержания смолы в пропитываемом материале, кг; А — площадь пропитываемой поверхности, м²; к — константа, кгУ (м⁴с²); П —пористость наполнителя; ч — вязкость пропитывающей жидкости, Па • с; р — давление при пропитке, Па; /—время пропитки, с.

Пористость наполнителя П может быть определена по формуле.

где р_в и р_н — плотность материала волокон наполнителя и самого наполнителя, кг/м³.

Уравнение Дарси показывает, что для увеличения количества связующего, наносимого на наполнитель, требуется снижение вязкости пропитывающей жидкости, повышение пористости наполнителя, давления при пропитке и продолжительности пропитки.

При пропитке действуют две противоположные силы. Движущими силами являются капиллярное всасывание и внешнее давление, способствующее движению пропитывающей жидкости внутрь наполнителя. Противодействуют движению жидкости сопротивление течению в порах наполнителя и поверхностное натяжение жидкости.

Процесс пропитки может реализоваться только при условии смачивания наполнителя пропитывающей жидкостью.

В равновесных условиях этот процесс определяется соотношением поверхностных натяжений жидкость—воздух (наполнитель-воздух) и наполнитель—жидкость:

В нестандартных и неравновесных условиях для характеристики процесса смачивания используют изменение краевого угла смачивания во времени:

Скорость заполнения капилляров (пор) может быть качественно охарактеризована уравнением Уошборна:

где d/r/d/ — скорость заполнения капилляра жидкостью, м/с; у"__в — поверхностное натяжение жидкости, И/м; 0 — краевой угол смачивания; т — вязкость жидкости, Па • с; р — плотность жидкости, кг/м³; г— радиус капилляра, м; Л — высота столба жидкости, м; ?—ускорение силы тяжести, м/с'.

Если пренебречь влиянием силы тяжести, то получим уравнение (6.22) в более простом виде:

Анализируя уравнения (6.19)—(6.23), можно прогнозировать влияние технологических свойств пропитывающей жидкости, характеристик наполнителя и условий пропитки на степень пропитки наполнителя.

Так, количество полимера в пропитанном наполнителе может быть увеличено за счет повышения концентрации пропитывающего раствора и одновременного повышения температуры. Ограничением для повышения температуры являются летучесть растворителя и рост скорости отверждения олигомера при нагревании.

Увеличение продолжительности пропитки может быть достигнуто за счет конструкции пропитывающего узла, обеспечивающего большую длительность контакта жидкости с наполнителем.

Благоприятное влияние на пропитываемость наполнителя оказывает создание перепада давления. Смачивание наполнителя жидкостью можно повышать, используя ПАВ или предварительное аппретирование наполнителя.

Для обеспечения необходимых механических свойств пропитанных материалов должно быть выдержано определенное соотношение наполнителя и связующего при его равномерном распределении. Регулирование содержания связующего проводится за счет отжима насыщенного пропитывающей жидкостью наполнителя и точного регулирования вязкости жидкости в сочетании с определенной скоростью прохождения наполнителя через пропиточное устройство.

С учетом этих закономерностей и организуют технологические процессы пропитки.

Пропитка бумажной основы осуществляется, как правило, растворами связующих. В случае производства бумажно-слоистых пластиков связующими являются растворы термореактивных олигомеров в воде или органических растворителях, например в спирте, ацетоне, толуоле.

Особенности процесса пропитки бумаги обусловлены ее тонкопористой структурой. Размер пор определяется объемной плотностью бумаги. С увеличением плотности затрудняется проникновение раствора в межволоконное пространство и в конечном счете почти вся смола концентрируется на поверхности. В этом случае прочность материала будет определяться свойствами самих целлюлозных волокон. Если поры имеют слишком большой размер, то смола в них будет образовывать при последующем отверждении сплошную хрупкую среду, что снижает эффект армирования отвержденной смолы целлюлозными волокнами.

При высокой влажности (>30%) целлюлозные волокна набухают и связующее может заполнять внутренние каналы в целлюлозных волокнах, что уменьшает их армирующее действие в материале.

На величину краевого угла смачивания бумаги пропитывающим раствором и скорость его снижения, характеризующую степень распространения смолы на поверхности или проникновения внутрь бумаги, влияет как тип целлюлозы, так и тип используемого связующего. Шероховатость поверхности бумаги способствует уменьшению краевого угла смачивания, т. е. ускоряет пропитку.

Пропитка стеклоткани осуществляется с учетом тех же закономерностей, что и целлюлозной бумаги. Однако отсутствие микропор, в отличие от органических наполнителей, требует создания условий формирования адгезионной связи волокно—связующее, исключающей образование на границе раздела слоев воздуха.

Из-за хрупкости стеклянных волокон нельзя использовать большие давления для отжима и дополнительной пропитки. Необходимый перепад давлений может быть создан при вакуумировании наполнителя во время нанесения связующего.

Технологическая схема пропитки включает в себя стадии: подготовки наполнителя и связующего; пропитки; сушки пропитанного материала. Аппаратурное оформление и технологические параметры на каждой стадии процесса определяются конкретно для каждой пары наполнитель—связующее. При пропитке бумаги, хлопчатобумажных и стеклянных тканей растворами аминои фенолоформальдегидных смол применяют схему, представленную на рис. 6.13. Готовят пропитывающий раствор необходимой концентрации смолы и добавок, наполнитель сушат или при необходимости удаляют замасливатель со стеклоткани, проводят аппретирование. Бумага или ткани подаются с рулонов 1 через систему компенсирующих и направляющих валков в пропитывающую ванну 2, после которой излишки связующего отжимаются в устройстве 3, а затем проводится сушка пропитанного материала в сушильной камере 4.

Конструкция пропиточного узла и скорость движения в нем пропитываемого полотна определяют продолжительность пребывания наполнителя в пропитывающем растворе. С помощью направляющих валков регулируют угол входа полотна, обеспечивая практически параллельную поверхности жидкости подачу, так как в этом случае полнее удаляется воздух из пор наполнителя. Иногда на входе в ванну устанавливается дополнительная пара валков, с поверхности верхнего валка наносится на одну из сторон полотна тонкий слой жидкости (лакировка), а затем полотно погружается в ванну.

Отжимные устройства, устанавливаемые на выходе полотна из ванны, служат для регулирования количества связующего, наносимого на полотно, а также способствуют увеличению глубины проникновения связующего в поры наполнителя. Отжимные уст;

Рис. 6.13. Технологическая схема пропиточной линии:

1 — узел размотки; 2 — пропиточный узел; 3 — отжимное устройство; 4 — сушильная камера; 5 —тянущие валки; 6 — узел разрезки; 7—пропитанный наполнитель.

Рис. 6.14. Схема пропиточной ванны с вакуумным барабаном.

ройства представляют собой или пару цилиндрических стальных валков с регулируемым зазором, или пару отжимных ножей с регулируемым нажимом на пропитанное полотно.

При пропитке волокнистых холстов (нетканый материал) для искусственной кожи используют ванны, в которых пропитывающая жидкость проходит через слой холста под действием разрежения (рис. 6.14).

Непропитанный холст 1 проходит между перфорированным вакуумным барабаном 2 и металлической сеткой 5. Часть барабана и сетки в месте их контакта погружена в раствор ванны 7. За счет сил, возникающих вследствие разрежения в барабане 2, раствор проходит через сетку и холст. Излишек пропитывающего раствора из холста 4 отсасывается вакуум-насосом 3, а металлическая сетка 5 очищается от налипшей массы в ванночке 6.

Пропитанный материал характеризуется, как правило, двумя основными показателями: содержанием смолы и содержанием летучих. Эти показатели связаны между собой.

Следующая за пропиткой стадия сушки необходима для удаления растворителя и летучих продуктов, а в случае термореактивных связующих — для частичного их отверждения.

Рекомендуемые составы пропиточных растворов, температуры растворов и скорости пропитки приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3. Рекомендуемые составы пропиточных растворов, температуры растворов и скорости пропитки.

Пропитка расплавами позволяет исключить стадию сушки. Для пропитки целесообразно применять низковязкие расплавы термопластов. Пропиточная установка в этом случае состоит из пропиточной ванны с отжимным устройством и камеры охлаждения пропитанного материала. Использование расплава термореактивных олигомеров возможно в том случае, если при температуре пропитки олигомер не отверждается в отсутствие инициаторов отверждения. После пропитки полотна наполнителя расплавом олигомера материал охлаждается в камере, а затем поступает в ванну с раствором инициатора отверждения (растворитель инертен по отношению к олигомеру). После пропитки инициатором осуществляются: удаление растворителя; в специальной термокамере — диффузия инициатора в олигомер с последующим охлаждением материала до комнатной температуры и его намоткой в рулон (рис. 6.15).

Рис. 6.15. Схема машины для пропитки полотна наполнителя расплавом олигомера:

I — узел размотки; 2 — питающий ролик; 3 — зона предварительного подогрева; 4 — пропиточная ванна (расплав олигомера); 5 — скребки-ножи; б, // — охлаждающие камеры; /—поворотный ролик; 8— ванна для пропитки инициатором отверждения; 9 — сушилка; 10— камера диффузии инициатора; 12—тянущий механизм; 13 — узел намотки; 14— рулон защитной пленки.