Методы обработки листового стиролакрилонитрила

В предыдущей статье рассказывалось о листовом полимерном материале стиролакрилонитриле (САН), успешно конкурирующем с таким популярным листовым материалом, как полиметилметакрилат (оргстекло). Действительно, по своим физико-механическим и эксплуатационным характеристикам листы САН практически не уступают экструзионному оргстеклу, а по стоимости значительно дешевле, что немаловажно для российских производителей рекламной продукции. К тому же, более низкие по сравнению с оргстеклом температуры перехода в термопластическое состояние, а также пониженное значение величины теплоемкости листов САН (1.38 Дж/г·К) по сравнению с оргстеклом (на 10%) и полистиролом (на 25%) приводит к тому, что для нагрева листов САН до температуры формования требуется, соответственно, значительно меньше тепловой энергии и времени - это приводит к экономии электроэнергии и трудовременных затрат, и, следовательно, к снижению себестоимости изготавливаемой продукции.

Для производителей рекламной продукции, дизайнеров, сайнмейкеров, технологов и других технических исполнителей, непосредственно работающих с листовым САН, очень важными являются сведения о способах и параметрах обработки материала, таких как формование холодным и горячим сгибанием, склеивание, резка (механическая и лазерная), сверление, фрезерование, штамповка. Этим практическим аспектам и посвящена данная статья.

На европейском и российском рынке листовых материалов в последнее время большим спросом и популярностью пользуются листы САН марки "SAN UVP (Ultra-Violet Protected)" ("САН УФ-защищенный"), производимые фирмой "Barlo Plastics". Приведенные в статье эксплуатационные характеристики и способы обработки распространяются также на листы САН, выпускаемые другими европейскими производителями.

Листы САН (плотность 1.08 г/см³) имеют высокое светопропускание (прозрачные - 90%), могут быть матовыми (35%) и цветными (тонированными). Они имеют глянцевую УФ-защищенную поверхность с обеих сторон, покрытых защитной полиэтиленовой пленкой. Поверхностный слой устойчив к царапинам, на него прекрасно наносятся самоклеящиеся пленки всех типов и может производиться печать офсетным и трафаретным способами. Защита от ультрафиолетового излучения нанесена с обеих сторон листа, что гарантирует сохранение светотехнических (без желтения) и эксплуатационных характеристик материала в течение 10 лет. Складировать листы следует в сухом месте. При нагревании материал проходит следующие стадии по мере повышения температуры:

Основные физико-механические и эксплуатационные характеристики листового САН указаны в таблице 1.

Теплоизоляция

Приведенные в таблице данные по теплопроводности и, соответственно, коэффициенту теплопередачи (К) указывают на высокие теплоизоляционные качества листов САН. При использовании этих листов вместо обычного силикатного стекла для остекления различных бытовых и промышленных сооружений наблюдаются следующие соотношения. При одинарном остеклении одинаковый эффект по теплопередачи (К = 5.5 - 5.6 Вт/м²·С) наблюдается при использовании стекла толщиной 10 мм и листового САН толщиной всего лишь 2 мм. При этом наблюдается более чем десятикратный выигрыш в весе (25.0 кг/м² и 2.16 кг/м²). При двойном остеклении одинаковая теплоизоляция (К=3.05 Вт/м²·С) достигается при использовании 2-х стекол по 5 мм толщиной с воздушной прослойкой между ними 15 мм (25.0 кг/м²) или 2-х листов САН толщиной 5 мм на расстоянии 5 мм (10.8 кг/м²).

Механическая обработка

Механическая обработка листов САН может проводиться с использованием различных инструментов, используемых при обработке дерева или металла. При этом окружные и линейные скорости вращения или продвижения инструмента должны быть такими, чтобы не вызывать нагрев материала до его плавления. Оптимальные высокие скорости обработки не должны вызывать перегрева как материала, так и инструмента. Следует использовать всегда хорошо наточенные твердосплавные, износостойкие инструменты изготовленные из быстрорежущей и карбонизированной стали. Так как листовой САН обладает низкой теплопроводностью, необходимо обеспечить отвод тепла от участка обработки посредством периодического подъема инструмента или местным охлаждением струей сжатого воздуха.

Ручная обработка листов САН может производиться различными инструментами для работы с деревом или мягкими металлами - рубанками, напильниками, наждачной бумагой и др. Винты и гайки (после резьбования с помощью плашек и метчиков), шурупы, саморезы, и другие приспособления для механического скрепления отдельных деталей можно использовать в одном и том же месте не более 2-х раз из-за относительной "мягкости" материала.

Фрезерование производится высокоскоростными фрезами для металла при 500 об/мин и скоростью подачи 0.25 мм/об.

Сверление производится стандартными двухперьевыми сверлами для дерева или металла с углом острия 70 - 120° и углом резания 12 - 18°. Скорость вращения внешней кромки сверла должна быть в пределах 30 - 61 м/мин, а скорость подачи 0.25 - 0.63 мм/об. При сверлении глубоких отверстий необходимо осуществлять охлаждение сжатым воздухом и как можно чаще извлекать сверло для предотвращения перегрева материала. Расстояние от края листа до просверливаемого отверстия должно быть не менее 1,5 диаметров отверстия.

Пиление может производиться как ленточными, так и циркулярными пилами для дерева или металла. Однако некоторые конструктивные особенности характерны для пил, используемых для чистой и быстрой обработки САН. Косозубые пилы наиболее предпочтительны, так как они обеспечивают легкое и быстрое удаление образующихся опилок из рабочей зоны, что предохраняет материал от перегрева. При прямой резке лучше использовать циркулярные пилы. Для получения изогнутых и фигурных резок следует применять ленточные пилы (электролобзики). Для обеспечения чистой кромки и отсутствия сколов при пилении расстояние между зубьями пилы должно уменьшаться с уменьшением толщины листового материала САН. В таблице представлены основные конструктивные и технологические характеристики ленточных и циркулярных пил для обработки листового САН.

Резка, штамповка, фигурная вырубка листового САН производится только в случае крайней необходимости из-за высокой вероятности возникновения сколов и трещин. Это объясняется недостаточной ударостойкостью САН по сравнению с такими листовыми материалами, как поликарбонат или полиэтилентерефталат.

Строгание производят обычно после пиления для получения чистой, ровной кромки листа. При строгании используют барабан диаметром 4 - 6 мм с двумя режущими ножами со скоростью вращения до 24000 об/мин и скоростью подачи материала до 1,5 м/мин.

Лазерная резка листового САН рекомендуется при толщине материала до 10 мм. Однако, полученный срез не получается чистым и прозрачным и возникает необходимость последующей полировки.

Формование

Холодное сгибание листов САН без возникновения внутренних напряжений допускается при минимальном радиусе изгиба равным 150-ти толщин листа (мм).

Сгибание с нагревом осуществляется с предварительным разогревом обеих сторон листа вдоль линии сгиба до температуры 120-140°С, причем внутреннюю сторону будущего угла нагревают в первую очередь, а затем - внешнюю сторону. Ширина нагреваемой зоны X (мм) рассчитывается по формуле Х = 0,026·В·Y, где В - толщина листа (мм), Y - угол изгиба (в градусах). Так, например, для толщины листа 3 мм и угле изгиба 90° ширина прогреваемой зоны должна быть не менее 7 мм. При малых углах изгиба до 45° и толщинах до 3 мм достаточно нагревать материал с одной внутренней стороны в течение не более 2 минут.

Термоформование листового САН проводится в интервале температур самого материала 130-170°С. Для получения изделий сложных форм температура должна быть не меньше 160°С. Листовой САН является одним из наиболее пригодных для термоформования полимерных материалов. Благодаря своим высоким механическим показателям и прекрасной эластичности в нагретом состоянии этот материал может подвергаться самым различным методам термоформования. Для получения изделия с тонким днищем и толстыми стенками наиболее часто используется негативное вакуумформование в форму, и позитивное вакуумформование над формой для изделий с толстым днищем и тонкими стенками. Минимальный вакуум при этом должен быть 500 мм ртутного столба (0.66 атм = 0.067 МПа) и желательно использовать сандвичевую систему нагрева материала с двух сторон с помощью инфракрасных излучателей. Готовое изделие извлекается из формы после медленного охлаждения до 70°С. При пневмоформовании воздухом под давлением в форму параметры процессов нагрева, охлаждения материала и самого формования аналогичны процессу вакуумформования. При свободном формованиии выдуванием на рамке необходимой формы (квадрат, треугольник, круг, эллипс и др.) давление сжатого воздуха рекомендуется не менее 2.76 МПа. В процессе формования при помощи матрицы и пуансона требуется учитывать разницу в теплопроводности, и соответственно, температуре материала и инструмента. Для изготовления инструмента формования (матрицы и пуансона) используются различные материалы (в скобках указаны значения теплопроводности, Вт/м·К) - гипс (3.2), дерево (1.7), эпоксидная смола (2.4), эпоксидированный алюминий (9.7 - 16.2), алюминий (2422), полированная сталь (485). Температура инструмента в процессе формования должна быть в пределах 55 - 90°С. Во всех случаях термоформования листов САН следует обращать внимание на термическую усадку материала в пределах 0.4 - 0.7% и необходимость медленного охлаждения готового изделия. При быстром охлаждении в материале могут возникнуть внутреннние напряжения, что сказывается на прочности и внешнем виде изделия. При необходимости изделия можно "отпустить" термостатированием в течение 1 - 2 часов при температуре 80 - 85°С.

Склеивание

Методы склеивания листов САН аналогичны полиметилметакрилату (оргстеклу). В качестве растворителей используют метиленхлорид, дихлорэтан, хлороформ, ацетон, метилэтилкетон и их смеси. Высокая прочность клеевого соединения достигается при использовании раствора 300 г опилок или стружек САН на 1000 г смеси (50/50) толуола и метилэтилкетона. Следует учитывать, что в этом случае процесс склеивания более длительный из-за медленного испарения растворителя. При необходимости соединения листов САН с другими пластиками использование простых растворителей не всегда дает хороший результат. В этом случае следует использовать суперклеи на цианакрилатной и полиуретановой основе, двухкомпонентные полимеризационные акриловые составы или горячий расплав самих полимеров.

Полирование листов САН производится с использованием стандартных полировочных паст и вакс и кругов из материи или шерсти. Острые и неровные края листов после пиления и резки следует зачистить и затем возможно их полирование обработкой парами нагретых растворителей, в частности метилэтилкетона или дихлорметилена, с добавлением диацетонового спирта как агента, замедляющего высыхание. Большие участки поверхности листов САН полировать с помощью паров растворителей затруднительно из-за высокой стойкости материала к химическим агрессивным средам.

Очищение листов САН производится мягкой ветошью или губкой, смоченными в теплой воде с добавлением не щелочных поверхностно-активных моющих средств.

Материал подготовлен по зарубежным источникам.