Формование полиуретана — это процесс изготовления полимерных деталей путем введения уретанового полимерного материала в инструмент или форму и ее отверждения. Как и любой другой тип полимера, превосходная технологичность полиуретана делает его очень эффективным при производстве обычных потребительских товаров и промышленных деталей. Кроме того, при формовании полиуретана легко достигаются жесткие допуски и сложная геометрия. Полиуретан, состав которого может быть составлен различными способами для достижения определенных свойств, обычно используется в жидкой или эластомерной форме в процессе формования.
Формование полиуретана пользуется популярностью из-за его способности создавать сложные формы, что делает его подходящим для широкого спектра отраслей промышленности, включая автомобильную, аэрокосмическую, медицинскую и потребительские товары. Изделия, производимые методом литья из полиуретана, имеют широкий спектр применений, например, уплотнения, прокладки, ролики, бамперы, колеса и детали, изготовленные по индивидуальному заказу. Полученные компоненты часто демонстрируют превосходную устойчивость к истиранию, химическим веществам и факторам окружающей среды, что делает их очень надежными и долговечными.
Полиуретан широко используется для производства компонентов таких изделий:
- Мебель (подушки, подкладки, чехлы)
- Строительство (изоляция зданий)
- Автомобильная промышленность и транспорт (бамперы, втулки, крылья)
- Промышленное и производственное оборудование (ролики, колеса)
История полиуретанов
Открытие полиуретанов приписывают Отто Байеру в 1937 году, когда он работал с коллегами в лабораториях IG Farbenindustrie AG в Германии. Первый полиуретан был образован в результате реакции между полимочевиной, образующей диамин, и алифатическим диизоцианатом. Позже полимочевина была заменена гликолем из-за улучшенных свойств созданного полиуретана.
Первые формы полиуретана использовались во время Второй мировой войны. Первоначальное намерение заключалось в том, чтобы полиуретан выступил в качестве синтетического заменителя натурального каучука, который в то время пользовался чрезвычайно высоким спросом и который было трудно достать. Универсальность полиуретана дала ему потенциальное применение в производстве волокон, пенопласта и покрытий. Это стимулировало коммерческое использование полиуретанов в производстве текстиля, подушек, амортизирующих подушек и отделке металлов.
Доступность полиизоцианатов в 1952 году привела к широкому использованию полиэфир-изоцианат-уретановых систем. Несколько лет спустя, в 1956 году компания DuPont представила полиэфирполиолы в форме политетраметиленэфиргликоля (ПТМЭГ). В следующем году BASF и Dow Chemicals разработали полиалкиленгликоли. Эти две разработки проложили путь к коммерческому внедрению уретановых систем на основе полиэфиров. Они обладали превосходными характеристиками по сравнению с полиэфирными системами. К таким характеристикам относятся отличная обрабатываемость, устойчивость к низким температурам, устойчивость к воде и влажности. С тех пор они стали основной полимерной системой в промышленности по производству полиуретана.
Процессы формования
Фрмование — это процесс изготовления изделий путем заливки расплавленного или сжиженного материала в твердый инструмент или пресс-форму. Пресс-форма имеет форму или профиль готового изделия. При формовании полиуретана процессы модифицируются в зависимости от формы и свойств жидкости сырья, а также геометрии производимого продукта.
Полиуретан — исключительно гибкий материал, которому можно придавать форму и производить в самых разных конфигурациях. Его можно использовать неоднократно, не беспокоясь о износе или порче. Полиуретан используется из-за многочисленных преимуществ, включая его способность противостоять воздействию электричества и экстремальных температур.
Литье под давлением
Литье под давлением — традиционный процесс создания полиуретановых формованных изделий. Он применим как для термореактивных, так и для термопластичных полиуретанов. Этот процесс включает в себя нагревание и плавление гранулированного или порошкообразного полиуретана, чтобы обеспечить его текучесть. Нагрев цилиндра термопластавтомата происходит при помощи кольцевых электронагревателей, при этом очень важным является соблюдение точного температурного режима. Затем поршневой шнековый экструдер с возвратно-поступательным движением впрыскивает расплавленную полиуретановую полимерную систему в твердый инструмент или форму. Для подачи полиуретана в полости формы используется высокое давление. Форма обрабатывается по профилю, повторяющему негативное изображение готового изделия.
Находясь внутри формы, полиуретан начинает отверждаться. Фаза отверждения преобразует жидкий полиуретан в его окончательную форму. Это достигается применением тепла или обеспечением реакции вулканизирующих веществ с системой форполимера. В некоторых процессах тепла, переносимого расплавленным полиуретаном, достаточно для проведения процесса отверждения. После отверждения формованный полиуретан охлаждают и извлекают. Готовый продукт может быть твердым, полутвердым или ячеистым.
Реакционное литье под давлением
Этот процесс похож на литье под давлением. Однако его главным отличием является форма сырья. При реакционном литье под давлением используются жидкие компоненты форполимера, которые изначально разделяются и содержатся в отдельных резервуарах. Затем компоненты перекачиваются в смесительную головку, где они смешиваются. Сразу за смесительной головкой находится форма, в которой формируется и отверждается смешанный полимер. Этот процесс ограничивается производством термореактивных полиуретанов.
Этот процесс исключает нагрев и плавление полиуретановой смеси перед ее впрыскиванием в форму. Он предполагает только немедленное смешивание сырья перед формованием. Используемые жидкие компоненты имеют низкую вязкость, что упрощает их инъекцию. Это снижает затраты на оснастку, позволяя использовать менее надежные и дорогие формы.
Существует несколько вариантов реакционного литья под давлением, такие как усиленное реакционное литье под давлением (RRIM) и структурное реакционное литье под давлением (SRIM) . В обоих процессах используются армирующие материалы для укрепления готового полиуретанового молдинга. RRIM использует армирующие материалы, такие как стекловолокно и углеродное волокно. SRIM, с другой стороны, использует волоконные сетки.
Компрессионное формование
Компрессионное формование — популярный метод формирования крупных изделий из термореактивного полиуретана. В этом процессе используется форма, состоящая из верхней и нижней половины. В нижнюю половину поступает компаундированная полиуретановая масса заданного веса. Затем две половины формы сжимаются друг против друга, чтобы заставить полимерную массу течь по форме формы. Вытесненный газ выпускается из формы для получения однородного продукта. После формования изделие вулканизуют, охлаждают и вынимают из формы.
Ротационное формование
Ротационное формование – это процесс, используемый для производства бесшовных полых изделий. Этот метод формования осуществляется путем загрузки порошкообразного полиуретана в форму. Затем форму нагревают при вращении, чтобы расплавить порошкообразный полимер, так что материал покрывает внутреннюю поверхность формы. В отличие от литья под давлением, в этом процессе не используется высокое давление для впрыскивания или экструзии полимера. Вместо этого он формирует контейнер, распределяя расплав пластика посредством вращения. После заданного количества оборотов изделие охлаждается и извлекается из формы.
Выдувное формование
Выдувное формование — это процесс создания полых изделий путем раздувания размягченной заготовки внутри формы. В качестве сырья обычно используются термопластичные полиуретаны. Этот процесс включает в себя нагревание полиуретана и экструдирование его в трубку, называемую заготовкой. Затем преформу помещают и зажимают внутри формы. Затем на один конец заготовки подается сжатый воздух; это надувает полиуретан до формы формы. После формования изделию дают остыть, а затем извлекают из формы.
Литье
Литье уретана — это процесс впрыскивания полиуретана и аддитивных смол в мягкую форму, обычно изготовленную из силиконового эластомера. Процесс литья аналогичен литью под давлением; однако литье под давлением отличается использованием твердых металлических форм.
Литье из уретана обычно применяется при мелкосерийном производстве. Это связано с быстрым износом силиконовой формы. Однако изготовление силиконовой формы обходится дешевле и быстрее, чем изготовление металлического инструмента, без ущерба для конечного качества отливаемого изделия.
Открытое литье
Открытое литье является наиболее простым из способов формования и применяется для изготовления полиуретановых изделий высокой твердости различных размеров. Его применяют, когда количество необходимых деталей и конструкция детали не оправдывают применение других методов формования. Открытое формование происходит быстрее, чем другие процессы формования, и готовая продукция может быть готова в течение нескольких недель. Этот процесс включает заливку полиуретана в форму с открытым верхом или его вытекание снизу формы.
Как и в случае с другими методами формования полиуретана, открытое формование начинается с жидкой смолы и отвердителя, которые нагреваются до температуры обработки. Ключевым фактором открытой формовки является обеспечение правильной температуры смолы и вулканизирующей жидкости, которые необходимо тщательно и точно взвесить и перемешать. В процессе смешивания происходит химическая реакция, инициирующая превращение нагретой жидкости в твердое вещество.
Пока смесь все еще находится в жидкой форме, ее разливают в формы, которые нагреваются до той же температуры, что и смола и отвердитель, то есть около 220 °F (104 °C). После помещения в форму полиуретановый материал быстро схватывается и удаляется из формы.
К преимуществам открытой формовки можно отнести:
- Нет никаких ограничений на типы полимеров, которые можно отливать методом открытой литья.
- Открытое литье идеально подходит для коротких производственных циклов, когда настройка и обработка других методов изготовления полиуретана слишком дорогостоящи.
- Смешивание смол и вулканизующих веществ для открытой формовки осуществляется вручную, что позволяет избежать проблем, связанных со смесительными машинами или дозировочными емкостями, где добавки могут засорить оборудование.