Полиамид-6 Стеклонаполненный Применение и особненности переработки

Как говорилось в предыдущей(статье), самое распространенный метод модификации полиамида является его наполнение стеклянными волокнами. Степень наполнения — от 10 до 50 %, но самое распространенное наполнение составляет 30 %. Продукция используется в авиационной, электронной, мебельной и автомобильной промышленности.

Рубленые стренги являются самым важным армирующим наполнителем по объему использования. Стекловолокно улучшает жесткость, предел прочности при растяжении, тепловую деформацию, сопротивление ползучести и ударную вязкость. Кроме того, может быть достигнута превосходная стабильность размеров и низкий коэффициент линейного теплового расширения.

Критическая длина стеклянных волокон, определяемая как минимальная длина, необходимая для передачи усилия от полимерной матрицы к волокну, для большинства полимеров лежит в диапазоне от 300 до 600 мкм. Большой спрос на стекловолокно может быть объяснен увеличивающимся количеством функциональных деталей, которые заменяют детали, прежде изготавливавшиеся из металлов или конструкционных пластиков.

Типичными областями применения являются авиастроение, производство оружия, судостроение, автомобилестроение, производство оргтехники и бытовой техники. В качестве матриц для стеклянных волокон можно использовать все виды полимеров.
Изделия сделанные из полиамида наполненного стеклом обладают повышенной прочностью, устойчивостью к ударным нагрузкам, химической инертностью, что делает их масло- и бензостойкими. Также стеклонаполненные полиамиды характеризуются хорошими диэлектрическими свойствами.

Введение в полиамиды стекловолокнистого наполнителя позволяет получить материал с увеличенной прочностью, жесткостью, теплостойкостью, менее растрескивающийся в условиях повышенных и пониженных температур. При этом значительно снижается усадка и коэффициент линейного расширения. Эластичность материала и сопротивление к истиранию у стеклонаполненного материала меньше, чем у ненаполненного.

Из стеклонаполненного полиамида изготавливают детали точных приборов, кулачковые диски, корпуса электроинструментов, например дрелей, кожухи малогабаритных насосов, сепараторы подшипников, несущие детали трансформаторов, игольчатые роликовые подшипники и т.д.

Полиамиды ПА6 и ПА66 армированные стекловолокном, имеющие высокую жесткость, прочность, ударную вязкость, стойкость к термокороблению и различным средам.

К преимуществам в эксплуатации стеклонаполненных полиамидов можно отнести:
Высокая жесткость и стойкость к термокороблению.
Пониженный коэффициент трения и износ.
Работоспособность при температуре от -60 до +150° С.
Длительная работоспособность в условиях одновременного воздействия повышенных температур, значительных механических напряжений, в том числе знакопеременных, паров воды и химических сред: масел, бензина, дизельного топлива, тормозной жидкости.
Стойкость к щелочам, слабым кислотам, электролиту, неполярным растворителям и растворам солей.

Изделия из стеклонаполненных термопластичных полимеров, получаемые литьем под давлением, имеют ряд существенных недостатков и в первую очередь: малую эластичность, низкую ударную прочность, переработка их сопровождается значительным измельчением армирующих волокон, а также абразивным износом оборудования.

Так же стекловолокно как армирующий материал имеет высокую плотность и низкую адгезию к связующим. Вследствие этого – высокий вес изделий, неполное использование прочности волокна, невысокая водостойкость, расслаивание изделий и т.п. затрудняет применение стеклоармированных термопластов.

Следует выделить некоторые трудности и особенности в наполнении полиамида стеклом и изготовлении изделий из стеклонаполненного полиамида.

Первое с чем стоит разобраться – это с марками стекла.

Все стеклянные волокна условно можно разделить на два больших класса: дешевые волокна общего применения и дорогостоящие волокна специального применения. Почти 90 % всех стеклянных волокон, которые выпускаются сегодня в мире это стекловолокно марки Е.
Подробно требования к таким волокнам изложены, например, в стандарте ASTM D578-98. Остальные 10% процентов – это волокна специального назначения. Большинство марок стекловолокна получили свое название благодаря своим специфическим свойствам:

‐ Е (electrical) – низкой электрической проводимости;
‐ S (strength) – высокой прочности;
‐ C (chemical) – высокой химической стойкости;
‐ M (modulus) – высокой упругости;
‐ А (alkali) –высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло;
‐ D (dielectric) – низкая диэлектрическая проницаемость;
‐ AR (alkali resistant) – высокая щелочестойкость.

Механические характеристики стекловолокон напрямую зависят от метода производства, химического состава стекла, температуры и окружающей среды. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.

Для наполнения полиамидов в целом и полиамида 6 в частности почти всегда используют Е-стекло. В более редких случаях, в основном для деталей с повышенными требованиями по жесткости используется S-стекло.

Е-стекло.

На сегодняшний день в мире выпускается 2 типа стекловолокна марки Е. В большинстве случаев Е-стекло содержит 5-6 масс. % оксида бора. Современные экологические нормы в США и Европе запрещают выброс бора в атмосферу.

Важно отметить, что точный состав стекловолокна Е может отличаться друг от друга не только для разных производителей, но даже и для разных заводов одной компании. Это обусловлено прежде всего географическим расположением предприятия и, как следствие, доступностью сырья. Кроме того на разных предприятиях осуществляется разный контроль за технологическим процессом и методы его оптимизации.
Механические свойства обоих видов волокон на основе Е-стекла почти одинаковы. Прочность на разрыв составляет 3100-3800 МПа. Однако модуль упругости у волокон без оксида бора несколько выше (80-81 ГПа), чем у обычных волокон (76-78 ГПа). Основным отличием стекловолокна марки Е без бора является более чем в 7 раз большая кислотостойкость (выдержка при комнатной температуре в течение 24 часов в 10% растворе серной кислоты). По своей кислотостойкости эти волокна приближаются к химически стойким волокнам на основе ECR стекла.

Плотность борсодержащих стеклянных волокон несколько ниже (2,55 г/см3 ) по сравнению со своим экологически чистым аналогом (2,62 г/см3 ). Плотность Е-стекла выше, чем у стекол других типов (за исключением ECR стекла).

S-стекло.

Впервые химический состав стекла под маркой S-glass был запатентован компанией Owens Corning в 1968 (патент 3402055).
Стекловолокно марки S обладает рекордными значениями прочности и модуля упругости для данного класса материалов. Лучшая продукция из S-стекла ничем не уступает по своему качеству углеродному волокну и также как и последнее применяется в основном в аэрокосмической области. Прочность волокон при комнатной температуре составляет 4500- 4800 МПа, модуль упругости – 86-87 ГПа, прочность лучших образцов волокна марки ВМП – до 7000 МПа.Тем не менее S-стекло значительно дороже Е-стекла.

Второе на что стоит обратить внимание – это высокая абразивность стекла. Как известно, твёрдость стекла по Роквеллу в среднем составляет 58-61 HRC, но может достигать 62-63 HRC. Это больше чем у большинства стандартных сталей.

Заметки на полях: Есть даже народный метод определения твердости ножей. Смотрится, как эффективно нож царапает стекло (или острый кусок стекла царапает нож). Если нож легко царапает стекло, а сам стеклом не царапается, то твёрдость такого ножа более 62 HRC.
В результате, при использовании сталей с меньшей твёрдостью в элементах шнека контактирующих со стеклом будет приводить к крайне быстрому износу оборудования. Стекло в буквальном смысле сточит элементы шнека за месяц, а иногда и за пару недель и даже дней работы экструдера. То же самое относится и к материалу цилиндра экструдера и пресс-форме термопластавтомата(ТПА).

В связи с этим очень важно подобрать и обработать сталь, контактирующую с абразивом, на всех этапах переработки полимеров с абразивными наполнителями в целом и наполненных стекловолокном в частности. Использование оборудования, не предназначенного для таких абразивных нагрузок, может и будет приносить серьезные убытки.

Для решения этой проблемы специалисты нашей компании рекомендуют использовать стали с высокой абразивной стойкостью (для элементов шнека это например 38Х2МЮА) и специальным образом обработанные. Рекомендуется изучить и выбрать для себя наиболее эффективный метод обработки элементов шнека, контактирующих с абразивным материалом, из приведенных ниже

Азотирование
Цементация
Газопламенное напыление
Наплавка витка

У каждого из приведенных методов есть свои плюсы и свои недостатки.

Для пресс форм зарекомендовали себя стали марок 4х5мфс и 40х13. Рекомендуется использовать сэндвич структуру пресс-формы из-за гигроскопичности хрома (способность хрома “вбирать” в себя влагу за счёт своей пористой структуры) и плохой адгезии хрома к железу (плохой сцепки хрома и железа).

Твёрдость хрома достигает 70 HRC. Качественно хромированные пресс формы выдерживают более 1 000 000(миллиона) смыканий.
Сэндвич структура: Cu (толщина слоя 0.15мм) — Ni (толщина слоя 0.15мм) — Cr (толщина слоя 0.25-0.35мм при максимуме в 0.5мм).

Третье на что следует обратить внимание при наполнении полиамида стеклом - это низкая адгезия стекла к полимеру. Данная проблема решается нанесением замасливателями. Замасливатель – это покрытие для стекловолокна. Почти всегда заводы производители стекловолокна обрабатывают свою продукцию различными замасливателями. Однако следует понимать, что замасливатели отличаются между собой по составу и по применимости.

Замасливатели в зависимости от назначения непрерывных волокон делятся на технологические (или текстильные) и гидрофобно-адгезионные (или прямые). Первые защищают нити от истирания и разрушения при ее переработке в текстильные изделия (ткани, геосетки, прошивной материал). Назначения прямых замасливателей (аппретов) – улучшение адгезии поверхности стекловолокна с полимерами в композиционных материалах и стеклопластиках. Волокна могут обрабатываться прямыми замасливателями либо в процессе их получения, либо после термохимического удаления с поверхности волокон текстильного замасливателя. Величина и равномерность содержания замасливателя на волокне существенно влияет на физико-механические, электрические свойства волокна и способность их к дальнейшей обработке. Недостаточное количество замасливателя, нанесенное на волокно, приводит к малому увлажнению, повышенному трению и обрывности нити. Избыточное нанесение замасливателя на нити приводит к неравномерной намотке паковок и сползанию с них волокон.

Общие требования, предъявляемые к замасливателям, следующие:

• обеспечение склейки множества отдельных элементарных волокон друг с другом, т.е. образование первичной нити, одновременно не допуская склеивания нитей друг с другом на бобине;
• облегчение процесса размотки и кручения первичных нитей;
• обеспечение защиты первичной нити от истирания и механических повреждений при прохождении ее через многочисленные направляющие органы текстильных машин;
• препятствование накоплению статического электрического трения;
• создавать на нити прочную, эластичную и устойчивую к истиранию пленку, равномерно распределенную по диаметру элементарной нити и ее длине.

Кроме того, замасливатель не должен обладать неприятным запахом и вызывать кожные заболевания.

Последние, так называемые «прямые» замасливатели, не подлежат удалению и улучшают свойства волокна и изделий на их основе, с помощью химических связей они обеспечивают хорошую адгезию, как с поверхностью волокна, так и со связующим.

Наиболее распространенным текстильным замасливателем является «парафиновая эмульсия» (далее – ПЭ), представляющая собой многокомпонентную водоэмульсионную дисперсию содержащую парафин, стеарин, вазелин, трансформаторное масло, препарат ОС20, закрепитель ДЦУ и воду.

В качестве прямых замасливателей в зависимости от дальнейшего назначения НБВ могут применяться замасливатели № 76, 4С, 4П, 4Э и др., представляющие собой многокомпонентную малоконцентрированную водоэмульсионную дисперсию, характеризующуюся содержанием кремнийорганических соединений аппретов, в основном винил- и амино- силанов (ГВС-9, АГМ-9 и другие, в том числе и аналоги) и водную дисперсию ПВА (для 4С, 4П, 4Э).

Прямые замасливатели предупреждают взаимное истирание волокон, склеивают их в нить, защищают поверхность нитей от разрушения при текстильной переработке, способствуют прочной связи поверхности стеклянных волокон с полимерными связующими.

Замасливатели применяются при выработке комплексных нитей из стекол различных составов, предназначенных для получения различных армирующих материалов.