Влияние температуры при производстве пластмасс

Свойства расплавов полимеров определяют технологию, конструктивное оформление литья под давлением и свойства изделий.

Течение расплавов полимеров не подчиняется закону вязкого /ньютоновского/ течения жидкостей. Для расплавов полимеров характерна аномалия вязкости - уменьшение вязкости с увеличением напряжения сдвига или скорости сдвига.

Расплавы полимеров обладают высокоэластическими свойствами, что обусловливает некоторое восстановление несходной формы материала после снятия напряжения, вследствие накопления в материале, наряду с пластической деформацией также и высокоэластической деформации. Высокоэластичность расплавов полимеров проявляется в разбухании струи полимера, выходящей из сопла. Температура, давление, скорость сдвига определенным образом влияет на вязкость расплавов полимеров. Следует учитывать, что характер изменения вязкости с увеличением скорости сдвига, температуры, давления различный для разных полимеров.

Для червячных литьевых машин предложено применять систему регулирования вязкости расплава. С этой целью требуемая вязкость расплава в машине сопоставляется с заданной величиной и при отклоне-нии величины вязкости на привод червяка подается сигнал, изменяющий число оборотов. Стабильность вязкости расплава обеспечивается также регулированием скорости литья.

Заполнение формы расплавом полимера

При заполнении "холодной" формы материалом расплав проходит литниковую систему. Соприкосновение горячего расплава с холодной стенкой впускного канала приводит к образованию затвердевшего слоя, предотвращающего преждевременное затвердевание внутреннего потока расплава. Толщина затвердевшего /остывшего/ поверхностного слоя постепенно увеличивается, в результате увеличивается сопротивление течению потока расплава, следствием чего является ухудшение условий заполнения формы расплавом.

Процесс изменения движения потока в форме состоит из трех частей:

• заполнение формы - фронт потока имеет форму сферы, изменение фронта потока происходит при контакте со стенками;
• уплотнение материала - увеличение плотности полимера в полости формы;
• охлаждение.

Первая порция расплава свободно затекает в форму, последующие порции продвигают материал. После заполнения всей полости формы происходит оформление и уплотнение изделия.

Температура расплава в форме неоднородна: в центре формы она выше температуры текучести материала, у "холодных" стенок формы она ниже температуры стеклования материала. Вследствие такого большого перепада температур полимер в форме может находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязко текучем состояниях.

При соприкосновении горячего расплава с "холодной" стенкой формы расплав охлаждается и дальнейшее течение его в форме - заполнение расплавом формы - происходит внутри охлажденной у стен-ки формы оболочки полимера. Давление в форме также неоднородно - оно уменьшается по мере удаления от впускного отверстия.

Гомогенность материала изделия и стабильность его свойств зависит от способа и продолжительности за-полнения формы. Заполнение формы должно осуществляться с максимальной скоростью. На условия заполнения формы оказывает влияние, главным образом, конструкция литника. С одной стороны, чем длиннее литник, тем больше затрачивается энергии на движение расплава /переход механиче-ской энергии в тепловую/, тем больше температура расплава. С другой стороны, чем длиннее литник, тем интенсивнее охлаждение расплава у стенки литника и тем ниже средняя температура его стенки.

При перемещении расплава в полости формы возникают ориентационные напряжения, особенно за-метные на тонкостенных отливках; при этом на величину ориентационных напряжений оказывает влия-ние перепад давлений и температур. Следует учитывать влияние давления спрыска и температуры расплава: при низком давлении спрыска или низкой температуре расплава может наблюдаться затвердевание расплава в форме до того, как расплав полимера достиг противоположной стенки формы.




Влияние параметров процесса литья под давлением

Правильно выбранный технологический режим переработки, наряду с конструкцией формы и литниковой системой, дает возможность изготовлять изделия с практически изотропными свойствами и минимальными внутренними напряжениями. В современных литьевых машинах регулируют следующие параметры, определяющие свойства изделий:

• температуру материального цилиндра;
• температуру формы;
• давление пластикации, спрыска и подпрессовки /подпитки/;
• объем, скорость и время спрыска;
• время выдержки под давлением;
• усилие замыкания формы;
• осевое перемещение червяка при впрыске;
• продолжительность цикла.

Температура материального цилиндра




В литьевых машинах с червячной пластикацией конечная температура расплава материала складывается из тепла, передаваемого нагревателями цилиндра /температура цилиндра/, тепла, развиваемого в результате работы сил трения при вращении червяка /адиабатическое тепло/, и тепла за счет противодавления шнека.

Адиабатическое тепло, зависящее от природы материала, числа оборотов шнека и др., может вызвать неконтролируемое повышение температуры расплава на десятки градусов, что может отрицательно сказаться на однородности потока расплава и, следовательно, на качестве изделия. Повышение температуры приводит к улучшению текучести материала, последнее приводит к возможности снижения давления переработки. Однако значительное изменение температуры расплава приводит к изменению его вязкости и, следовательно, к нарушению дозы расплава, подготовленной для спрыска в форму. Кроме того, слишком высокая температура расплава может вызвать деструкцию полимера и, следовательно, снижение его качества. Наконец, повышение температуры материального цилиндра, равно как и температуры формы, приводит к повышенному расходу энергии, а также к увеличению продолжительности охлаждения и выдержки под давлением, что в свою очередь приводит к удлинению цикла и к увеличению продолжительности нахождения материала в цилиндре.

Температура литья оказывает наибольшее влияние на механические свойства литьевых изделий. Повышение температуры литья приводит к снижению предела прочности при растяжении в направлении ориентации. Это связано с уменьшением степени ориентации материала с увеличением темпер-туры. У кристаллических полимеров также наблюдается некоторое изменение предела прочности при растяжении с увеличением температуры литья. Структура материала определяет точность регулирования температуры литья. Так, аморфные полимеры сохраняют пластичность в сравнительно широком интервале температур /40°С/, полукристаллические - в узком интервале температур /5-7°С/.

Для каждого материала диапазон температур подбирают экспериментально. Например, при литье полиэцеталей максимально допустимую длительность переработки, т.е. термостабильность, можно оценить по изменению цвета материала после разборки литьевого агрегата. По результатам эксперимента определяются область оптимального соотношения между заданной температуpoй и временем цикла, область переходная, где практически не изменяются свойства материала, наконец, опасная область, в которой происходит значительное снижение ме-ханических свойств при заданном соотношении температуры и времени цикла.

Температура формы

Охлаждение формы необходимо до температуры значительно ниже температуры расплава. Оптимальная температура формы устанавливается с учетом температуры стеклования аморфных полимеров и скорости кристаллизации кристаллизующихся полимеров. Условия охлаждения материала в форме зависят и от природы материала, и от длительности цикла литья. При выборе температуры формы следует учитывать:

• при литье изделий тонкостенных или сложной конфигурации температура формы должна быть выше, чем при литье толстостенных изделий;
• при высокой температуре формы получают изделия с хорошей глянцевой поверхностью;
• в случае затруднений при заполнении расплавом формы рекомендует повышать не температуру расплава, а температуру формы.



При этом поддержание температуры в узких пределах обеспечивает хорошее качество поверхности и получение деталей в заданных пределах допусков. Высокая температура формы достигается циркулирующим от термостата горячим маслом, обеспечивающим равномерность нагрева, в отличие от ленточных иди трубчатых нагревателей сопротивления. Однако в тех случаях, когда изготовление каналов для термостатирующей жидкости оказывается сложным /в случае отливки изделий сложной конфигурации/, применяется электрический обогрев, то есть в форму вставляют нагреватели или на поверхности наматывается ленточное сопротивление. Температуру формы на заданном уровне можно поддерживать и без термостатирования, а за счет температуры материала. Однако в этом случае с ростом температуры материала может возрасти перепад между температурой по стенке и в середине изделия с 10 до 25°С.

При впрыске расплава в форму наблюдается перепад температур, а также изменение температуры от максимальной - температура расплава после инжекции - к минимальной, которая достигается после извлечения изделия из формы. Изменение температуры литьевой формы оказывает влияние на весь литьевой цикл, то есть на скорость течения материала, равномерность распределения его в форме, на внутренние напряжения в изделии и т.д. Режим охлаждения изделия в форме влияет на производительность, а также на качество изделия. Так, интенсивное охлаждение, увеличивая производительность машины, может значительно снизить качество изделия из-за внутренних напряжений. Повышение температуры формы создает благоприятные условия для релаксации напряжения, улучшая качество изделия.

Изготовление прецизионных деталей требует очень точного поддержания температуры формы, равно как и материального цилиндра. Температура расплава в форме определяет уровень давления в форме, повышение температуры расплава повышает давление в форме. Влияние параметров процесса литья на свойства изделий. Параметры литьевого процесса определяют эксплуатационные свойства изделий. Увеличение температуры литья снижает твердость, что связано с увеличением степени закалки и образованием разрозненных надмолекулярных структур, повышает удлинение при разрыве, снижает усадку, может приводить к увеличению удельной ударной вязкости вследствие снижения ориентации и анизотропии при вы-соких температурах. Увеличение давления литья повышает прочность при разрыве и плотность изделия.

Понижение времени спрыска повышает удлинение при разрыве и снижает прочность при разрыве. Повышение температуры формы может привести к некоторому увеличению усадки и некоторому снижение плотности изделия. Снижение давления подпитки вызывает изменение размеров изделия. Изменение дозы спрыска влияет на размеры и величину внутренних напряжений изделий. На механические свойства изделий кроме параметров процесса влияют также конструкция литьевой формы, в особенности формы литника, режим охлаждения. Интенсивность теплоотвода при охлаждении расплава понижается из-за образования у поверхно-сти формы затвердевшего слоя. А если затвердевший слой недостаточно прочен, то на его поверхности образуются вмятины и утяжки.

В ряде случаев при изготовлении изделий литьем под давлением из-за неполного удаления воздуха из полости формы /например, при применении арматуры, содержащей воздух; при изготовлении деталей с тонкими стенками при низких давлениях литья; при очень сложной геометрии формы/, появляется брак изделий. Воздух, находящийся в форме, при подаче расплава сжимается, что способствует образованию нагара; чтобы избежать это, применяют вакуумирование форм перед подачей расплава.

Процессы ориентации и внутренние напряжения в литьевых изделиях

В литьевую форму впрыскивается ориентированный материал. Ориентация материала происходит в литнике вследствие того, что в литнике образуется застывший внешний слой, внутри которого течет жидкая масса - за счет этого наблюдается резкий перепад в скорости движения, который и вызывает ориентацию. В форме тоже наблюдается ориентация материала. В форме так же, как и в литнике, происходит об-разование застывшего охлажденного слоя, внутри которого происходит перемещение еще жидкого мате-риала; вследствие перепада скоростей и происходит ориентация материала.

На степень ориентации большое влияние оказывает форма детали и длина пути течения расплава. Чем больше длина пути течения, тем больше проявляются ориентационные явления. Возникающая при впрыске ориентация значительно снижается при более высоких температурах литья, так как продолжительность охлаждения в этом случае выше. Это подтверждается тем, что образцы, изго-товленные при высокой температуре литья, при термообработке в меньшей степени изменяют свои размеры, чем образцы, изготовленные при обычной температуре литья. При заполнении формы суммарная деформация материала складывается из необратимой и высокоэластической деформации; последняя не является равновесной и не успевает полностью релаксировать, в результа-те чего в изделиях появляются внутренние напряжения. Кроме того, внутренние напряжения возникают, поскольку охлаждение и застывание материала происходит вначале у стенок формы, а затем - к центру образца. Это, естественно, вызывает различную во времени усадку по образцу.

Появляющиеся в результате ориентации внутренние напряжения могут фиксироваться, поскольку охлаждение материала происходит под давлением /давление подпитки/. Возникшие в литьевом изделии внутренние напряжения проявляются в деформации и повышенной хрупкости; об их величине можно судить по изменению размеров после термообработки. На величину внутренних напряжений влияет температура расплава, давление литья и не влияет продолжительность выдержки под давлением.

Однако у разных материалов влияние температуры расплава на величину внутренних напряжений проявляется по-разному. Так, если величина внутренних напряжений в изделиях из полистирола увеличивается с понижением температуры расплава, равно как и давления литья, то величина внутренних напряжении в изделиях из ПП увеличивается с повышением температуры расплава. Это, вероятно, объясняет-ся разным изменением вязкости ПС и ПП в зависимости от скорости сдвига при одной и той же температуре расплава.

Анизотропия механических свойств изделий

Практически все литьевые изделия обладают механической анизотропией, что связано с проявлением ориентационных напряжений при заполнении формы.

Усадка литьевых изделий

Усадка является основным фактором, определяющим точность размеров изделия. Различают абсолютную и относительную усадки. При охлаждении изделий в форме в них проявляется заметная объемная усадка, различная по величине для разных материалов: при снижении температуры от 150 С до комнатной объемная усадка ПЭ высокой плотности, ПЭ низкой плотности и ПС составляла соответственно 20, 16 и 6%, что связано с кристаллической природой полиолефинов. Наиболее резко объемная усадка проявляется при охлаждении готового изделия в форме. На колебания усадки, равно как и массы и размера изделий, влияет различные факторы:

• структура полимера /аморфная или частично-кристаллическая структура/;
• состав композиции /присутствие наполнителей, пластификаторов, вторичного сырья и т.д./;
• конструкция формы и конфигурация изделия;
• расположение и размеры литниковой системы;
• режим переработки.

Повышение температуры расплава и давления литья, понижение температуры формы приводят к увеличению массы изделия и снижение их усадки в направлении течения расплава. Возникновение внутренних напряжений вследствие неоднородности охлаждения материала в форме приводит к различной во времени усадке по образцу.

Величина усадки, особенно в изделиях с большой разнотолщинностью стенок, должна учитываться при проектировании размеров изделия.

Дефекты поверхности литьевых изделий

При правильном подборе режима литья, конструкции изделия и формы, отлитые детали имеет гладкую и блестящую поверхность. Нарушение режима литья или неправильное оформление конструкции формы и изделия приводит к появлению дефектов поверхности. Основные виды поверхностных дефектов следующие.

В ряде случаев на литьевых изделиях появляются серебристые или темные полосы, что связано с излишним содержанием влаги. Не полностью удаленный при пластикации в нагревательном цилиндре воз-дух /серебристые полосы/, перегрев материала образует темные полосы. Мелкие неровности поверхности связаны с недостаточным давлением при литье. Иногда имеет место коробление изделий. На величину коробления влияет: структура полимера, конструкция изделия, состав композиции, режим переработки, режим охлаждения, тип литьевой машины.

С целью снижения коробления изделий было предложено увеличить диаметр литника, что приводит к более однородному заполнению формы, а также снизит температуру формы до минимальной.

Термообработка литьевых изделий

После окончания цикла литья имеет место изменение размеров, механических свойств литьевых изделий, более выраженное у кристаллических полимеров. С целью повышения качества изделий, т.е. улучшения физико-механических свойств, стабилизации геометрических размеров, повышения износоустойчивости, увеличения поверхностной твердости и т. д., приводящих к увеличению срока эксплуатация изделий и к большому экономическому эффекту, применяют термообработку готовых изделий.

Виды термообработки: нормализация, отжиг, отпуск, закалка, смешанная термообработка, циклическая и др. Следует отметить, что изменения в структуре полимера, происшедшие при термообработке, сохра-няются длительно, о чем свидетельствует сохранение полученных при термообработке повышенных прочностных показателей в течение длительного времени. В большинстве случаев процесс термообработки проводят через 24 ч после изготовления изделия, но можно также и через 3 ч после их изготовления. В ряде случаев для того, чтобы избежать деформации изделий, термообработку их проводят в специальных приспособлениях. Иногда термообработка изделий приводит к их разрушению, что свидетель-ствует о неправильно сконструированной форме изделия.