Пресс-порошки
В 1906 году доктор Бейкеленд обнаружил, что между фенолом и формальдегидомможет протекать химическая реакция с образованием смолы. Вначале жидкаяили немного тягучая, смола может стать после нагрева твердой, довольнотугоплавкой и нерастворимой. Бейкеленд был человеком весьма предприимчивым,к тому времени он успел уже сколотить некоторое состояние на изобретениии внедрении фотобумаги типа "Велокс", но, по-видимому, даже он не очень-торассчитывал на более или менее широкое применение своей смолы. Вначалеона появилась в продаже в качестве заменителя натуральных смол в лакахи глазурях. Мне говорили, что огромная компания "Бакелит" начинала своюжизнь под вывеской "Лаковая компания Даммард", выпустив на рынок три сортаглазурей: "Даммард", "Даммардер", "Даммардест".
Сама по себе затвердевшая бакелитовая смола - твердое хрупкое веществос небольшой прочностью, очень напоминающее натуральную смолу. Ее использоваликак добавку к лакам, особенно в электротехнике для изоляции. Потом обнаружилось,что она превосходно клеит древесину в фанерном производстве. Но в чистомвиде для конструкционных целей она не находила применения. Поворотным пунктомпослужили наблюдения Бейкеленда - он обнаружил, что если к смоле до еезатвердевания добавить волокон, то это резко меняет ее прочность.
С этого и началось использование так называемых формовочных порошков.Они представляют собой смеси частично затвердевшей смолы и коротких целлюлозныхволокон применяемых обычно в виде древесной муки. Такой сухой порошок насыпаютв нагретую стальную пресс-форму. Здесь порошок размягчается, и под давлениемполучившаяся масса затекает во все уголки формы, после чего происходитнеобратимое твердение. Первой серийной деталью, сделанной по этой технологии,считается ручка рычага переключения скоростей автомобиля "роллс-ройс" (1916 год).
Этот материал, получивший название бакелита, быстро приобрел популярность,так как был легким и дешевым и делал нетрудоемким изготовление деталейдаже очень сложных форм. Бакелит стал настолько популярным, что одно времясерьезно обсуждался проект наводнения похоронного рынка бакелитовыми гробами.Применение бакелита сдерживалось тем, что обычный технический бакелит былслабым и хрупким, поскольку в нем использовались очень короткие волокна,лишь незначительно упрочнявшие смолу. Он был хорош лишь тем, что смесьлегко формовалась, и поэтому стоимость производства была небольшой.
Пресс-порошки сразу же привели к сокращению производства бирмингемовскойбронзы. Следующим результатом была волна возмущений (пожалуй, бесплодных)со стороны потребителей, которым не нравились внешний вид и хрупкость новогоматериала. Частенько, отведя в сторону, мне шептали: "Говорят, сюда засунулиопилки, чтобы сделать дешевле?" Нужно было объяснять, что без опилок былобы хуже и что в любом случае чего еще ждать при такой низкой цене. Ведьнебольшие бакелитовые изделия вроде корпуса выключателя стоили три шиллингасотня! Нужно сказать, что вскоре подобные изделия стали значительно лучше.Одной из причин этого явилась конкуренция со стороны намного более вязкихтермопластов, таких, как полиэтилен и нейлон.
Процесс получения изделий из пресс-порошков очень прост. Достаточнозасыпать в горячую пресс-форму заранее взвешенную порцию порошка и нажатькнопку пресса. Какой бы сложной ни была форма, порошок заполнит ее, растекаясьподобно жидкости. Это очень удобный и эффективный процесс, особенно дляпроизводства небольших изделий электротехнического назначения. Например,при прессовании корпуса настенного выключателя пластичная масса должнарастекаться вокруг многочисленных латунных деталей. Но, как вы уже знаете,для этого нужно использовать довольно короткие волокна, которые дают сравнительнонепрочный и хрупкий материал. Ведь в смоле трещина, встретив на своем путикороткое волокно, может легко обойти его и продолжить свой путь дальше.
Слоистые материалы с целлюлозными волокнами
Если от материала требуется максимальная прочность, для армированияследует использовать длинные аккуратно уложенные волокна. Далеко не всегда,однако, можно заставить такой материал заполнить форму. Поэтому в слоистыхпластиках, разработанных в 20-е годы, бумага или ткань пропитывались растворомфенольной смолы (обычно спиртовым). После сушки пропитанные слои укладывалимежду тщательно выверенными параллельными нагретыми плитами гидравлическогопресса, где смола затвердевала под давлением около 150 кГ/см.
Такой материал был довольно дорогим, но хорошим по качеству, а некоторыеего сорта обладали довольно высокой прочностью и вязкостью. Фенольные смолыимеют черный или грязно-коричневый. цвет, поэтому листы слоистых пластиковне использовали для декоративных целей. Вначале большая часть пластиков,наполненных бумагой (гетинаксы), использовалась в качестве электроизоляционныхматериалов; пластики на основе ткани (текстолиты), будучи очень вязкими,шли на изготовление шестеренок, подшипников, кулачков. В послевоенные годыпоявились меламиновые бесцветные смолы, а с ними и возможность делать поверхностьлистов цветной или узорчатой. Материал в толще листа оставался при этомпрежним, на основе коричневой пропитанной фенольной смолой бумаги, чтои прочнее, и дешевле. Такой комбинированный материал оказался очень подходящимдля покрытий столов и панелей и сыграл большую роль в "кухонной революции".
Декоративные листы пластика, которых сейчас много в продаже, сравнительнонепрочны и хрупки, но, поскольку они почти всегда приклеиваются к достаточножестким основаниям (например, к деревянной табуретке), это не имеет особогозначения. В наши дни трудно себе представить что до появления этих материаловпросто не существовало действительно удовлетворительных покрытий для столов.Невероятное число женских человеко-часов тратилось на то, чтобы скрестидеревянную поверхность, ведь по своей пористой природе она неотразимо притягиваетк себе грязь.
Хотя целлюлоза в таких пластиках и сохраняет в основном свое пристрастиек воде, наивреднейший остаток воды в ней может быть уменьшен путем сушкиволокон с последующей формовкой и отверждением материала в возможно болеесухом состоянии. Если это сделано, каждое волокно зажато и ограничено вперемещениях матрицей и другими волокнами. Поэтому разбухание резко уменьшается,хотя через смолу и проникают пары воды. Поскольку бумага (или ткань) должнабыть покрыта смолой на одной из первых стадий технологического процесса,а сушка производится непосредственно перед прессованием, то вместе с целлюлозойсохнет и смола. А ведь легкость, с которой фенольная смола заполняет горячуюформу перед затвердеванием, очень сильно зависит от количества имеющейсяводы; поэтому сухая смола требует более высоких давлений для равномерногораспределения ее в объеме материала и получения нужных внутренних связей.Это приводит к тому, что получать такие материалы с приличной водостойкостью,используя небольшие давления (заметно меньше 150 кГ/см),обычно невозможно. Общая нагрузка, которую нужно приложить к стандартнойпанели размером 240X120 см, будет, следовательно, около 5000 т; поэтомуизготовление текстолита и гетинакса требует дорогого оборудования.
На влагостойкость текстолита и гетинакса влияют также некоторые химическиеособенности процесса пропитки. Можно значительно снизить захват влаги засчет правильного выбора смолы. Так часто и делают в производстве электротехническихматериалов. К сожалению, хорошая влагостойкость означает блокирование гидроксиловв целлюлозе, а это делает ее хрупкой и потому малопригодной для конструкционныхцелей. Сразу после войны я видел самолет, построенный немцами из материалатипа гетинакса. Чтобы обеспечить вязкость, они, насколько осмелились, снизилисопротивление материала влаге. Оказалось, что они перестарались: к томувремени, когда я его видел, он простоял под открытым небом три месяца иразваливался на куски.
Во время войны в Англии много работали над листовыми пластиками, армированнымицеллюлозными волокнами, для замены ими алюминия в обшивке самолета. Намудалось, сохраняя достаточную вязкость, снизить вызванное колебаниями влажностиполное изменение размеров в плоскости листа до 0,8%. Затем в порядке экспериментамы обшили часть поверхности двенадцати находившихся в строю самолетов.Никаких аварий не последовало, но и положительных результатов мы не получили.Дело в том, что листы были, конечно, приклепаны к алюминиевому каркасу,который не мог ни разбухать, ни усыхать вместе с ними. И в результате насамолетах, летавших в пустыне, пластики так натягивались, что линия заклепочногошва оказывалась усеянной трещинами; в то же время во влажном климате, особеннопосле таяния снега, листы угрожающе выпучивались и коробились. В концеконцов пришлось от этой затеи отказаться. Практически колебания размеровармированных целлюлозой материалов всегда будут составлять около 1%. Этоне согласуется ни с металлом, ни с древесиной, ни с фанерой - и потомуделает невозможным применение таких материалов в широких масштабах.
Использование прочных слоистых пластиков сегодня практически ограничиваетсяплоскими листами, которые можно прессовать между тщательно вывереннымиплитами. Для изготовления фигурных изделий необходимо иметь профилированнуюстальную пресс-форму, состоящую из двух половинок. В любом случае это довольнодорогое практически неизменяемое приспособление, но даже не оно делаетпрофильное прессование на редкость трудным. Трудность здесь связана с тем,что такой материал почти не течет в процессе прессования. Поэтому долженочень точно выдерживаться зазор между двумя половинками пресс-формы. Еслиэтого не обеспечить, то вся нагрузка придется на те участки, где зазорменьше нормы а остальной материал не будет прессоваться совсем.
Трудности и дороговизна этой операции вполне достаточны, чтобы отпугнутьинженеров, особенно сейчас, когда в их распоряжении есть другие, болеепростые пути получения прессованных изделий. Однако в конце 30-x - начале40-х годов других путей не было, поэтому, несмотря на тяжелую и дорогуюоснастку, несколько серьезных больших деталей пошло в производство по описаннойтехнологии. Помнится, так было сделано стандартное кресло пилота для самолета-истребителя,которое использовалось в "Спитфайере" и некоторых других машинах. Эта довольнобольшая и сложная конструкция собиралась на болтах из нескольких профильныхдеталей, полученных прессованием. В работе она выдерживала нагрузки порядкатонны и никогда не доставляла беспокойства. С другой стороны, экономиявеса и стоимости по сравнению с клепаным металлическим креслом не былаочень уж велика.
Стеклопластики
Современные армированные пластмассы ведут свое начало от материаловна основе неорганических волокон, нашедших применение в конце войны. Впервыеподобные материалы использовали для изготовления антенных обтекателей,которые представляют собой куполообразную конструкцию, где размещаетсяантенна локатора. Обтекатель должен быть прозрачным для радиоволн, поэтомуматериал для него требуется неэлектропроводный. В качестве основы такогорода материала наибольшим успехом и по сегодняшний день пользуется стекловолокно.
Состав его немного изменился, но в остальном волокна похожи на те, которыевытягивал Гриффитс почти полвека назад. Процесс их вытягивания механизирован,сейчас стекло плавится в нагреваемом электротоком платиновом контейнере,в дне которого имеется обычно 200 или 400 маленьких отверстий. Через каждоеиз этих отверстий тянется волокно, которое охлаждается и затвердевает попути к расположенному под контейнером вращающемуся барабану, на которыйоно наматывается. Обычный диаметр волокон - от 5 до 10 мкм. Их прочностьна разрыв сразу после вытягивания составляет, по-видимому, 300-350 кГ/мм^2,но при последующих операциях она снижается. Поскольку свежие волокна имеюттенденцию склеиваться между собой, а за этим следует взаимное разупрочнение,волокна на пути от контейнера к барабану подвергаются специальной обработке,в результате которой на них появляется защитная пленка. Эта пленка предохраняетот повреждений при последующих операциях, например ткани. Перед операциейпропитки смолой эта пленка удаляется - ее растворяют или сжигают.
После того как волокна вытянуты и намотаны на барабан, дальнейший ходсобытий зависит от назначения будущего изделия. Мы уже говорили, что вформу нужно уложить как можно больше волокон просто потому, что они разво сто (по крайней мере) прочнее смолы. Поэтому при прочих равных условияхпрочность полученного материала будет пропорциональна содержанию волокон.В стекломате, содержащем отдельные волокна, их концентрация очень и оченьмала, поэтому стекловолокно в таком виде используется редко, только в специальныхслучаях. Лучшая упаковка волокон получается в параллельных пучках, напримерв нитях или пряже. Нити обычно содержат несколько сотен отдельных волокон.
Поскольку волокна непрерывные, нет нужды использовать большую круткунити, чтобы держать их вместе. Иногда после пропитки смолой такая пряжаиспользуется для изготовления путем намотки - разного рода резервуаров,труб, сосудов давления. Для многих высококачественных изделий из стеклонитиделают специальную ткань, которая выглядит как дорогой белый сатин.
Стеклопластики из ткани хороши своей прочностью, но изделия из них довольнодороги. И дело здесь не столько в высокой стоимости самого материала, скольков том, что стеклоткань не очень удобна для автоматизации процесса полученияпрофильных изделий. Поэтому наибольшая часть производимого стекловолокнаприменяется в виде мата из рубленой стеклопряжи. Пряжа рубится на кускидлиною 5 - 8 см и идет главным образом на получение плоских матов путемнанесения этой волокнистой массы на проволочную сетку, покрытую слабымбыстросохнущим клеем. Прижимается мат к сетке с помощью воздушной струи.Когда клей высыхает, мат снимается с сетки, и с ним можно обращаться, какс листом бумаги. Для изготовления фигурных изделий мат разрезается на подходящиекуски, которыми обклеивают соответствующую модель, пока не получается детальнужных размеров и конфигурации.
При изготовлении больших партий профильных изделий используют ту жетехнику обдувания воздушными струями, поскольку этот процесс можно автоматизировать.Он применяется при изготовлении таких изделии, как шлемы корпуса пишущихмашинок и т.д. Вместо металлической сетки здесь используется сетчатаямодель, на которую тем же способом наносится стекломат. Полученный стекломатавтоматически перемещается в нагретую стальную пресс-форму, здесь к немудобавляется основная связующая смола, которая твердеет под давлением.
Помимо высокой прочности, стекловолокно имеет еще одно достоинство -оно не разбухает в воде, поэтому операцию формовки нет нужды проводитьпод большим давлением. Значит, можно использовать недорогие, легко изменяемыепресс-формы и отказаться от мощных гидравлических прессов.
При формовке стеклопластиков в качестве связующего можно использоватьфенольные смолы, но обычно лучше применять смолы (например, полиэфирные),разработанные специально для этой цели. Многие из производимых смол твердеютне только при очень малых давлениях, но и при комнатной температуре - последобавления катализатора.
Это привело к технологии, которую можно было бы назвать "методом ведраи щетки". Очень популярный среди любителей и небольших фирм, такой способпочти ничем не отличается от египетского способа получения папье-маше.Слои холоднотвердеющей смолы и стекломата (или стеклоткани) попеременнонакладывают на простую гипсовую модель и оставляют в таком виде на время,необходимое для отверждения. Если вся процедура проделана добросовестнои аккуратно, получится вполне нормальная конструкция. Правда, затраты трудабудут великоваты, если потребуется сделать десятки таких изделий. Но дляизготовления очень больших конструкций, например лодок, - это практическиединственный путь.
Одна из трудностей этой технологии заключается в том, что она не позволяетполучить двух совершенно одинаковых изделий, так как надлежащий контрольпрактически невозможен. Ну а поскольку прочность такой переменчивой конструкциипредсказать довольно трудно, этот метод не совсем годен для изготовлениясамолетных конструкций.
Чтобы получить изделие хорошего качества, смола должна твердеть в сухой,теплой, контролируемой атмосфере, а это не всегда возможно в условиях полукустарныхмастерских. Именно отсюда возникают жалобы на лодки из стеклопластиков- их зачастую делают в холодных сырых сараях. На хороших заводах эту операциюпроделывают в обогреваемом (и дорогом поэтому) помещении, а кустари и любителис наибольшим эффектом могут приложить свои силы к доводке корпусов, изготовленныхпрофессионалами на подходящем оборудовании.
Для больших конструкций вроде судовых корпусов становится важной стоимостьмодели, так как количество производимых изделий обычно невелико. В такихслучаях лучше использовать недорогие модели, а смоле дать возможность медленнотвердеть при комнатной температуре. Кроме того, при этом допустима длительнаяручная доводка затвердевшей оболочки. Но если мы имеем дело с такими изделиями,как шлемы или чемоданы, экономическая картина меняется. В подобной ситуацииобычно применяют состоящую из двух половинок стальную нагретую пресс-форму.Стекловолокнистую заготовку опускают в пресс-форму и перед самым захлопываниемдобавляют в нее определенное количество жидкой смолы горячего твердения.Скорость затвердевания подбирается так, чтобы смола, прежде чем затвердеть,успела равномерно пропитать стекломассу. Затем остается лишь извлечь изформы готовое изделие - почти никакой ручной доводки не требуется, таккак пресс-форма тщательно отполирована. Весь процесс получения волокнистойзаготовки, установки ее в пресс-форму, пропитки смолой и твердения можетвыполняться в одной большой машине в течение нескольких секунд, в то времякак ручная укладка стекловолокна требует часов и даже дней.
В первых армированных материалах количество волокон было небольшим иволокно вводилось с целью нейтрализации грубых дефектов слабой хрупкойматрицы. О таких материалах правильно говорить как об армированных. Однакосо временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только длясклеивания прочных волокон между собой; теперь мы стремимся использоватьматрицу лишь в количествах, необходимых для надежного связывания волокон.Такие системы правильнее было бы называть связанными волокнистыми материалами.
Серьезное изучение свойств этих систем - предмет трудный и в высшейстепени математизированный. В последнее время он получил признание и дажесделался модным в академических кругах. Не вдаваясь в детали, можно сказать,что свойства массы склеенных между собой волокон более или менее следуютпредсказаниям, полученным с помощью элементарного расчета. Обычно труднополучить материал, содержащий более50% волокон по объему. Прочность готового стекловолокна можно считатьравной примерно 200 кГ/мм, а его модульЮнга - 7000 кГ/мм. Пруток стеклопластика(например, спиннинговое удилище), в котором все волокна уложены параллельнооси, будет иметь прочность 100 кГ/мм,а модуль Юнга 3500 кГ/мм, поскольку смолапочти не вносит своей доли ни в прочность, ни в модуль, хотя, конечно,увеличивает вес. Рассчитанный по простому правилу смесей, удельный весматериала составит 1,85 Г/см, если в немне будет пор (а так и должно быть); удельный вес стекла - около 2,5, асмолы - 1,2 Г/см. Мы можем поэтому составитьследующую сравнительную таблицу.