Глава IX. Литьевые методы в обувном и кожгалантерейном производстве [1975 Зыбин Ю.П.

Литьевой метод в кожевенно-обувной промышленности начали применять с 1955 г. [1-4], когда по патенту французского инженера Р. Буше (R. Wucher) фирма "Фостер" (Англия) начала изготовлять литьевые машины FW700 для производства цельноформованной пляжной обуви. Поливинилхлоридную смесь расплавляли в рабочем цилиндре машины и впрыскивали в холодную пресс-форму, в которой смесь остывала. Низ и верх таких пантолет получаются из одного материала. Затем фирма СЕФОМ (Франция) в со-дружестве с Р. Буше создала машину W700 SMT для литья только подошв из поливинилхлорида на затянутый верх обуви (кожаный или текстильный). Обе машины состоят из инжекционного узла и карусельного стола, на котором находятся 10 пресс-форм.

Можно выделить четыре способа литья различных материалов под давлением:

термопластичных материалов (ПВХ-пластикатов, термоэластопластов);

В настоящее время для изготовления низа обуви литьевым методом используют не только ПВХ-пластикаты и пасты, но и резиновые смеси. Это вызвано недостаточной морозостойкостью подошв из подивинилхлорида. Литье резиновых смесей из-за необходимости их вулканизовать представляет большие трудности, но дает подошвы нужной морозостойкости.

В последнее время начинают применять для литья термоэластопласты [4-5], являющиеся блоксополимерами термопластов (например, полистирола) и каучуков. При литье такой материал ведет себя как типичный термопласт, а в изделиях эластичен, морозостоек и прочен без вулканизации или сшивания.

Большой интерес вызвало литье полиуретанов [4]. В пресс-форму заливают жидкие полиуретановые компоненты. В результате реакции образуется эластичный пенополиуретановый материал (низ обуви), который тут же приклеивается к затяжной кромке заготовки. В зависимости от компонентов смеси может быть получен как пористый, так и непористый низ обуви. При этом отпадает ряд операций: синтез каучука, изготовление резиновых подошв или гранул, не требуется применения клея. Литье полиуретанов наиболее перспективно.

Литьевой метод может широко применяться и для изготовления каблуков, подошв, агрегированных узлов, фурнитуры [6].

Интересен метод наплавления подносков на союзку, который исключает необходимость изготовления специальных материалов для подносков. Союзку лицевой стороной вниз кладут на выдвинутую каретку специальной машины. Каретку сдвигают в рабочую зону. Профилированная матрица "печатает" расплавленную термопластичную смолу (или композицию из смол) на бахтармяной стороне союзки. Толщина подноска составляет V3 толщины обычного подноска, что обеспечивает эластичность заготовки в носочной части. Производительность машины - 480 подносков в час.

Литье термоэластопластов начинают внедрять и для изготовления кожгалантерейных изделий, например ручек портфелей, чемоданов и сумок, фурнитуры, половинок чемоданов.

Литье термопластичных материалов и применяемое оборудование

Литье под давлением позволяет изготовлять изделия высокой степени точности, с малыми затратами и высокой производительностью труда.

Литье под давлением термопластов можно определить как простой циклический процесс, состоящий из расплавления гранул материала, впрыска расплава в пресс-форму, после остывания в которой материал затвердевает и образует изделие заданной геометрической формы. Литьевые машины позволяют отливать изделия массой 0,016-20 кг.

По принципу действия и конструкции различают поршневые, червячные и червячно-поршневые литьевые машины [7-11].

Схемы поршневой литьевой машины ЛПГВ-0 (СССР) до и после литья показаны на рис. IX.1. Гранулы материала засыпают в бункер 1, в нижней части которого расположены дозатор 2 и отсекатель 5. Гранулы подогреваются в питателе 4 и подаются в литьевой цилиндр 5 с нагревателями. В цилиндре гранулы разогреваются до вязкотекучего состояния. Во время движения поршня 6 вниз расплавленный материал 7 впрыскивается через литник в пресс-форму 8. Время впрыска - 5-10 с.

Рис. IX.1. Схемы поршневой литьевой машины ЛПГВ-0 до литья (а) и после литья (б)

Поршневые машины эффективны при отливе изделий малого объема из легкотекучих термопластов. На них трудно перерабатывать расплавы высокой вязкости, такие как поливинилхлоридный.

Процесс впрыска называют инжекцией, или шприцеванием. Поэтому литьевые машины называют шприц-машинами, или инжекционными, а рабочий узел машины-инжекционным. Литьевой цилиндр машины можно также называть и инжекционным.

В качестве литьевых можно использовать и червячные машины - экструдеры [7, 9, 10]. Экструзией называется процесс непрерывного выдавливания материала в виде ленты, листа, трубы или какого-либо иного профиля. Однако, если сопло экструдера имеет кран, то формы можно заполнять и прерывисто, и экструдер начинает работать как литьевая машина. Схема работы такого экструдера показана на рис. IX.2.

Рис. IX.2. Схема экструдера

Полимерный материал из загрузочного бункера 1 захватывается винтовой поверхностью червяка 2 и увлекается при вращении его в переднюю часть цилиндра 3. В стенки цилиндра вмонтированы нагреватели, обеспечивающие разогревание термопласта 4 до температуры плавления. Переходу термопласта в вязкотекучее состояние способствуют энергичное механическое перемешивание материала червяком и трение о стенки. Внутреннюю поверхность цилиндра обычно грубо обрабатывают для повышения трения материала. Поверхность же червяка отделывают очень тщательно для снижения коэффициента трения расплава. За счет разности этих коэффициентов трения происходит интенсивное течение расплава вдоль цилиндра.

На рис. IX.3 показана схема инжекционного сопла с краном. При прижатии литниковой втулки пресс-формы к соплу передняя втулка сопла поджимается и откупоривает литниковый канал. Происходит заливка пресс-формы смесью. При разъединении пресс-формы и сопла после литья втулка вновь подается вперед и закупоривает литниковый канал.

Рис. IX.3. Схема инжекционного сопла с краном

Когда кран 5 (см. рис. IX.2) открыт, при вращении червяка 2 расплав термопластичного материала через канал выдавливается в пресс-форму. Пресс-форма заполняется за 5-20 с в зависимости от текучести материала в расплавленном состоянии, размеров и конструкции пресс-формы. Пресс-форма холодная или несколько подогретая, что не дает застывать материалу до ее полного заполнения. Правда, это задерживает последующее остывание изделия и удлиняет общий цикл работы. Пресс-форма для литья низа на обуви состоит из матрицы 5, формующей боковые поверхности подошвы и каблука, пуансона 7, формующего ходовые поверхности подошвы и каблука, и колодки 8. Пресс-формы установлены на карусельном столе 9.

После заполнения очередной пресс-формы и закрывания крана червяк нагнетает расплавленный материал в переднюю часть цилиндра (форкамеру). Если перерывы между двумя заливками велики, червяк может остановиться.

Экструдер по сравнению с поршневой машиной обладает сравнительно малой скоростью заливки пресс-формы: поршневая машина обеспечивает время инжекции 1-2 с, в то время как экструдер - 5-20 с.

Поэтому в машинах более поздних конструкций сочетаются достоинства червячных и поршневых машин. На рис. IX.4 дана схема инжекционного узла червячно-поршневой машины с осевым перемещением червяка. Термопластичный материал загружается и пластицируется так же, как и в экструдере. Расплавленный материал скапливается в передней части камеры цилиндра и нарастающим давлением отжимает червяк в крайнее заднее положение. Обратному течению расплава препятствует поршневой обратный клапан, закрепленный на конце червяка и снабженный каналами для подачи расплава в форкамеру.

Рис. IX.4. Схема инжекционного узла червячно-поршневой машины: 1 - бункер; 2 - рабочий цилиндр; 3 - червяк; 4 - полимер; 5 - обратный клапан; 6 - литниковый канал; 7 - матрица; 8 - пуансон; 9 - колодка; 10 - карусельный стол

При упоре втулки сопла в литниковую втулку пресс-формы открывается кран, и червяк начинает двигаться вперед, работая как поршень. Расплав быстро (1-2 с) и под давлением 150 МПа (1500 кгс/см²) впрыскивается в пресс-форму.

Червячно-поршневой литьевой механизм с осевым перемещением червяка обеспечивает по сравнению с экструдером не только большую скорость заполнения пресс-формы, что повышает производительность и качество изделий, но и позволяет получать тонкостенные изделия. Червячно-поршневой инжекционный механизм позволяет получать подошвы любой толщины и любого рисунка.

По компоновке и характеру движения пресс-форм и инжекционных узлов машины для литья низа на обуви [1-4,7] можно разделить на роторные и стационарные.

Наиболее технологичны роторные литьевые машины, обеспечивающие высокую производительность. Инжекционный узел роторной литьевой машины неподвижен, что также считается достоинством, так как рабочему-оператору удобнее работать, все время находясь на одном месте.

Роторная литьевая машина W700 SMT (рис. IX.5) оснащена инжекционным червячным узлом. Червяк 1 вращается от электродвигателя 2 через редуктор 5, муфту 4 и передачу 5. Червяк с соотношением длины и диаметра L : D = 8 : 1 предназначен для переработки поливинилхлоридных композиций. Частота вращения червяка 3с^-1.

Рис. IX.5. Роторная литьевая машина (разрез)

Термопластичный материал в виде гранул засыпается в питатель 6, из которого определенная доза его по наклонному вибрирующему лотку подается в бункер 7. Из бункера гранулы захватываются червяком 1 и передвигаются вдоль обогреваемого инжекционного цилиндра 8, в котором под действием высокой температуры и механических напряжений пластицируются и расплавляются. В передней части цилиндра установлен рассекатель 9 для гомогенизации расплавленного материала и сопло 10 с краном.

10 штук (5 пар) пресс-форм установлены на карусельном столе 11. Для открывания матриц пресс-форм служат рычаги 12. Затянутые на деревянные колодки заготовки устанавливают на сомкнутые матрицы и сверху закрепляют носочным и пяточным упорами, прижимаемыми гидравлическими цилиндрами 13 усилием 9,8 кН (1 тс) каждый. При подходе очередной пресс-формы к инжекционному узлу стол 11 совершает поступательное движение в направлении инжекционного узла под действием системы 14. В момент прижатия литниковой втулки пресс-формы к соплу 10 кран открывается, расплавленный материал из инжекционного цилиндра 8 нагнётается вращающимся червяком 1 в пресс-форму под давлением 10-18 МПа (100-180 кгс/см²). Образуется низ обуви, который остывает при последующем движении карусельного стола 11 с пресс-формами по часовой стрелке. Максимальная масса отливки - 0,7 кг. Производительность машины до 1000 пар в смену.

Пресс-формы литьевых машин обычно изготовляют из алюминиевых сплавов типа силуминов [12]. Выбор алюминиевых сплавов объясняется их легкостью по сравнению со сталью и лучшей теплопроводностью (в 3 раза больше, чем у стали). Алюминиевые сплавы легче обрабатываются и вместе с тем алюминиевые сплавы с кремнием обладают достаточно твердой поверхностью.

Колодки пресс-форм литьевых машин могут быть Металлическими, стационарно закрепленными, или затяжными деревянными и пластмассовыми (см. рис. IX.5). Какие колодки лучше, пока не решено. Однако в автоматах надежнее применять металлические колодки, размеры которых лучше сохраняются. Деревянные колодки разбухают под действием влаги и растворителей, усыхают при сушке, меняя свои размеры. Да и точность изготовления деревянных колодок меньше, чем точность изготовления металлических колодок. Это обусловило применение в основном металлических колодок. К преимуществам металлических колодок относится также возможность их обогревания, что повышает качество отлитого низа.

Литье поливинилхлоридных пластикатов

Поливинилхлоридные твердообразные пластикаты в виде гранул - первые литьевые материалы для изготовления цельноформованной обуви и низа на обуви [1-4]. Это связано с широким производством поливинилхлорида, хорошими литьевыми свойствами, высокими показателями механических свойств готовых поливинилхлоридных изделий.

Поливинилхлоридные пластикаты (смеси) содержат поливинилхлоридную смолу, пластификаторы, стабилизаторы, красители. Аналогичные составные части входят в состав поливинилхлоридных паст.

Поливинилхлорид (ПВХ) имеет регулярное линейное строение, отвечающее формуле ( - СН₂-СНС1-)_n.

ПВХ представляет собой твердое вещество плотностью 1,37 г/см³, степень кристалличности не выше 10%. Эластические свойства поливинилхлорид приобретает только с введением пластификаторов.

Поливинилхлоридные смолы представляют собой продукты синтеза поливинилхлорида, осуществляемого суспензионным или эмульсионным методом [13]. Получаемые смолы соответственно называют суспензионными или эмульсионными. В марке суспензионной смолы имеется буква С, в марке эмульсионной - Е (табл. IX. 1).

Таблица IX.1. Поливинилхлоридные смолы, выпускаемые в СССР

Различают также смолы пастообразующие и не пастообразующие: первые при замешивании с пластификаторами дают сметанообразные пасты, вторые - набухшую крошку. Из набухшей крошки на горячих валках каландров или вальцов получают пленку. Из пленки получают гранулы для переработки на литьевых машинах. Переработка непастообразующих смол сложнее, чем пастообразующих, но изделия из непастообразующих смол получаются более прочными и износостойкими. В марке пастообразующей смолы имеется буква П.

Выпускаются поливинилхлоридные смолы различных марок разной вязкости (см. табл. IX. 1). Вязкость смолы характеризуется числом Фикентчера К, определяемым из формулы

где Z - вязкость 1%-ного раствора полимера в циклогексаноне по отношению к вязкости чистого циклогексанона;

С - концентрация полимера, г на 100 мл растворителя.

Для перехода от относительной вязкости к числу Фикентчера К можно пользоваться табл. IX.2. Чем меньше К смолы, тем легче она перерабатывается, тем ниже и показатели механических свойств изделий. Поэтому для литья низа на обуви применяются суспензионные смолы ПВХ С-65 и ПВХ С-70.

Таблица IX.2. Связь относительной вязкости Z с числом Фикентчера К

В качестве пластификаторов используются различные вещества, но чаще всего сложные эфиры фталевой и себациновой кислот (табл. IX.3). Добавление парафина облегчает переработку поливинилхлорида.

Таблица IX.3 Пластификаторы, применяемые в литьевых ПВХ-пластикатах

Вид пластификаторов и их количество влияют на показатели в первую очередь механических свойств изделий из поливинилхлорида. Чем выше содержание пластификатора, тем ниже прочность материала, но тем выше эластичность и морозостойкость.

В результате исследовательских работ [1,2,4] была выявлена эффективность использования суспензионных поливинилхлоридных смол ПВХ С-65 и ПВХ С-70 с пластификаторами ДОФ, ВСФ, ДОС.

От марки смолы зависят показатели физико-механических свойств ПВХ-пластиката при одинаковых количествах пластификатора. В табл. IX.4 показано изменение показателей физико-механических свойств ПВХ-пластикатов, изготовленных на основе разных смол с добавлением 60-72 масс. ч. пластификатора ДОФ на 100 масс. ч. смолы. Видно, что более вязкие смолы обеспечивают большую прочность и износостойкость пластиката. Поэтому для ответственной обуви следует использовать ПВХ-пластикаты на основе более вязких смол.

Таблица IX.4. Изменение показателей физико-механических свойств ПВХ-пластикатов в зависимости от марки смолы

Пластификаторы должны подбираться с учетом того, что вязкость пластиката в расплавленном состоянии должна быть не более 10⁵ Н⋅с/м²(10⁶ пз). Это обычно достигается введением 50-60 масс. ч. пластификатора на 100 масс. ч. поливинилхлоридной смолы с числом Фикентчера К = 60-70.

На технологические и эксплуатационные свойства ПВХ-пластикатов влияют стабилизаторы, которые должны обеспечить высокую термостойкость поливинилхлорида при переработке в изделия, а также светостойкость и стойкость к окислению при эксплуатации изделий.

В процессе переработки при высоких температурах от поливинилхлорида может отщепляться хлористый водород, инициирующий цепную реакцию вдоль полимерной цепи; появляются двойные связи, вызывающие окраску материала; может происходить и обрыв и сшивание цепей; меняются свойства материала.

По стабилизирующему действию стабилизаторы для ПВХ-пластикатов делятся на четыре группы:

акцепторы - вещества, поглощающие хлористый водород, отщепляющийся от ПВХ;

вещества, вступающие в реакцию с хлористым водородом и ней-трализующие его. Это также акцепторы, но более слабые, чем вещества первой группы;

противоокислители (антиоксиданты) - вещества, предохраняющие от разложения в результате взаимодействия с кислородом;

светостабилизаторы (ингибиторы) - вещества, защищающие от действия ультрафиолетовых лучей.

Обычно для ПВХ-пластикатов применяется "букет" стабилизаторов. По химическому строению это могут быть неорганические, органические и металлоорганические соединения. Из неорганических стабилизаторов известны двух- и трехосновный сульфаты свинца PbSO₄ ⋅ 2РbO и PbSO₄ ⋅ 3РbO, двухосновный фосфат свинца Рb2НРO3, силикат натрия Na₂SiO₃ и силикат свинца PbSiO₃. Из органических стабилизаторов применяются эпоксисоединения (эпоксидные смолы и эпоксидированные масла), меламин, сложные эфиры. К металлоорганическим стабилизаторам относятся металлические мыла - соли жирных кислот, такие как стеараты калия, кальция, магния, бария, цинка, свинца, кадмия.

При подборе стабилизаторов следует учитывать токсичность. Из металлоорганических стабилизаторов нетоксичны соли калия, кальция, натрия, цинка. Разной степенью токсичности обладают соли свинца, олова, бария, кадмия.

В табл. IX.5 приведены рецепты ПВХ-пластикатов, разработанные ленинградским обувным объединением "Скороход" для литья низа на обуви [1,4]. Пластикат для домашней обуви изготовлен на основе менее вязкой смолы, требующей меньшего количества пластификаторов для получения эластичного низа. В результате стоимость пластиката ниже, чем стоимость пластиката для обуви с верхом из кожи. Пластикат для низа обуви с верхом из кожи содержит более вязкую смолу, обеспечивающую более высокие показатели механических свойств. Применяется также пластификатор ДОС, улучшающий морозостойкость низа обуви. "Букет" стабилизаторов обеспечивает термостабильность пластикатам 132-216 мин и сравнительно недорог.

Таблица IX.5. Рецепты ПВХ-пластикатов для литья низа на обуви

Марка ПВХ-смолы влияет на режим литья: чем выше вязкость смолы, тем выше температура литья. Повышение же температуры отрицательно влияет на стабильность пластиката (табл. IX.6). Пластикаты перерабатывали на литьевой машине "Десма 701" с пластификатором ДОФ, взятым в количестве 60-70 масс. ч. Отчетливо видно преимущество литья смол меньшей вязкости, но менее вязкая смола дает менее прочный низ обуви. На литьевые машины ПВХ-пластикаты подаются в гранулированном виде.

Таблица IX.6. Температура инжекционного цилиндра для литья ПВХ-пластикатов в зависимости от марки ПВХ-смолы

Литье поливинилхлоридных паст

Метод литья поливинилхлоридных паст на затянутый верх обуви [1-3] основан на способности пастообразующих поливинилхлоридных смол при замешивании с пластификаторами давать сметанообразные пасты. Такая жидкообразная система называется золем. Поэтому за рубежом поливинилхлоридные пасты часто называют пластизолями.

При нагревании до температуры 170-180° С золь переходит в гель. При этом пластификатор проникает внутрь глобул ПВХ- смолы, образуется гомогенная система, которая быстро затвердевает.

Поливинилхлоридные пасты по составу близки к ПВХ-пластика там для литья под давлением (см. табл. IX.5). При проведении процесса паста заливается в горячую пресс-форму, в которой при температуре 170-180° С в течение 3-4 мин желируется. При последующем снижении температуры образуется и одновременно приклеивается к верху эластичный и прочный низ обуви. При добавлении к пасте порообразователей можно получать пористый поливинилхлоридный низ обуви.

Для литья низа обуви из паст применяется простое и дешевое оборудование - двухсекционный пресс АРАДКО (США), односекционный npecc NP/60 (Италия), шестисекционные литьевые машины "Десма 505" и "Десма 506".

Но процесс желирования в пресс-форме с односторонним нагреванием (со стороны пуансона) часто приводит к получению низа обуви низкого качества и даже к разрушению его на границе с затяжной кромкой.

Из-за указанных недостатков метод литья паст на затянутый верх обуви почти не применяется.

Литье резиновых смесей

Литье резиновых смесей слагается из двух операций [1, 4, 7, 8, И, 14, 15]: литья смеси в пресс-форму и вулканизации каучука в пресс-форме с образованием пространственной сетчатой структуры.

В результате образуется изделие высокой термостойкости, прочности и эластичности.

По сравнению с прессовым методом изготовления резин при литье достигается быстрое прогревание и формование изделия, в результате чего общий цикл вулканизации сокращается до 2-3 мин вместо 6-8 мин.

Однако процесс литья резиновых смесей отличается большой сложностью по сравнению с процессом литья термопластов (рис. IX.6). При нагревании вязкость термопластов уменьшается до определенной величины, которая сохраняется в течение длительного времени при заданной температуре. При нагревании резиновые смеси сначала размягчаются, при этом вязкость их уменьшается, но через некоторое время она начинает резко увеличиваться из-за вулканизации или отверждения материала. Как видно из рис. IX.6, для литья под давлением наиболее пригодны материалы наименьшей средней вязкости и наименьшим временем т, при котором вязкость практически не изменяется.

Рис. IX.6. Кривые изменения вязкости резиновой смеси (а) и термопластов (б) при нагревании

Аналогично влияет на вязкость резиновой смеси и повышение температуры литьевого цилиндра (рис. IX.7). Для любой резиновой смеси существует температура, при которой вязкость расплава наименьшая.

Рис. IX.7. Кривая изменения вязкости резиновой смеси от температуры литьевого цилиндра

По кривым вязкости можно оценить пригодность и преимущества той или иной смеси для инжекции.

Особенно наглядно проявляется характер поведения резиновой смеси по кривым, показывающим изменение вязкости ее в зависимости от повышения и времени воздействия температуры. Как видно из рис. IX.8, при температуре 80° С смесь [15] не вулканизуется и текучесть ее сохраняется длительное время. При повышении температуры до 100° С для достижения минимальной вязкости смесь требуется прогревать 3 мин. Процесс же литья должен происходить через 3-5 мин после начала прогревания при этой температуре, так как через 5 мин начинается вулканизация, и она может произойти в литьевой машине, что недопустимо.

Рис. IX.8. Кривые изменения вязкости резиновой смеси в зависимости от температуры и времени нагревания

Учитывая сравнительно низкую теплопроводность резин, следует признать этот режим очень жестким. И совсем сложно работать при температуре 120° С, поэтому изделия из резиновых смесей отливают при температуре 80-100° С, а вулканизацию осуществляют в пресс-формах при температуре 170-220° С для сокращения длительности процесса. Ускорители вулканизации должны обеспечивать протекание процесса вулканизации при температуре свыше 140° С. Для вулканизации резиновых смесей в пресс-форме также можно использовать нагревание токами высокой частоты.

Для литья резиновых смесей могут применяться инжекторы поршневые, червячные, червячно-поршневые. Предпочтение отдается червячно-поршневым инжекторам с осевым перемещением червяка, обеспечивающим быструю пластикацию и прогревание смеси, короткий цикл литья при давлении до 160 МПа (до 1600 кгс/см²), высокую производительность, высокое качество изделий любого профиля и толщины. Достоинством является также возможность загрузки червячно-поршневых машин не гранулами, а полосами или лентами сырой резиновой смеси, что исключает процесс ее гранулирования.

Резиновые смеси для литья представляют собой сложные много-компонентные системы, содержащие каучуки, вулканизующие вещества, наполнители, пластификаторы (мягчители), противостарители, компоненты специального назначения - пигменты, красители, антискорчинги и др. [6, 16].

Особенностью резиновых смесей является необходимость применения каучуков, обладающих высокими литьевыми свойствами. С помощью индекса расплава термопластов, определяемого на капиллярном вискозиметре ПИРП, была исследована текучесть (табл. IX.7) отечественных каучуков [14] при температуре 100° С (это максимальная температура литья резиновых смесей) и давлении 5 МПа (50 кгс/см²).

Как видно из данных табл. IX.7, наилучшей текучестью отличается стереорегулярный изопреновый каучук СКИ-3. Несколько худшую, но все же достаточно высокую текучесть имеют и стереорегулярные каучуки - наирит НТ и бутадиен-стирольный СКС-30АРКМ-15.