книги из ГПНТБ / Лапшин В.В. Основы переработки термопластов литьем под давлением

плотности. Так, при 129 об/мин продолжительность пластикации более вязкого материала (меньший индекс расплава) на 10 с мень­ ше. С увеличением противодавления заметно уменьшается пластикационная производительность.

Регулирование обратного давления и скорости вращения чер­ вяка используется не только для изменения температуры распла­ ва, но также и для достижения требуемого эффекта перемешива­ ния. Например, окраска гранул термопласта сухим методом улуч­ шается при высоком обратном давлении.

Критерием качества расплава при червячной пластикации яв­ ляется распределение температур в объеме расплава перед чер­ вяком. Эксперименты показывают13, что при большом числе обо­ ротов червяка, низком противодавлении и максимальном объеме впрыска наблюдается очень большое колебание температуры в объеме расплава перед червяком, причем для высоковязких рас­ плавов полиэтилена это колебание может достигать 55 °С, а для низковязких — 25°С. В осевом направлении колебание темпера­ туры расплава больше, чем в радиальном. Причинами колебаний температуры в осевом направлении является изменение эффектив­ ной длины червяка при пластикации и прерывность процесса пла­ стикации.

Поскольку частота вращения и противодавление влияют на качество расплава термопласта, т. е. на среднюю температуру и ее распределение по объему расплава, то эти параметры пласти­ кации должны влиять и на свойства литьевых изделий. Ниже при­ ведены данные о влиянии частоты вращения червяка и противо­ давления на температуру расплава, продолжительность пласти­ кации и прочность на удар:

* Прочность на удар определяется высотой, с которой падает груз.

Из приведенных данных следует, что увеличение числа оборо­ тов червяка при отсутствии обратного давления вызывает умень­ шение прочности полипропилена на удар. Это, по-видимому, объ­ ясняется недостаточной температурной гомогенностью расплава при высоких скоростях червяка 18. В то же время при увеличении обратного давления прочность на удар у полипропилена повы­ шается. Однако в этом случае увеличивается продолжительность пластикации, но снижение производительности может быть ком­ пенсировано за счет увеличения числа оборотов.

Для ударопрочного полистирола и полиэтилена высокой плот­ ности также наблюдается повышение прочности на удар с ростом обратного давления. Таким образом, обратное давление при пла­ стикации термопласта оказывает значительное влияние на проч­ ность литьевых изделий на удар. При отсутствии обратного дав­

90

ления частота вращения червяка слабо влияет на прочность на удар.

Как правило, для большей гомогенности расплава оптимальной является работа червяка при больших числах оборотов, высоком обратном давлении и низких температурах цилиндра; при этом мак­ симальное количество механической энергии превращается в теп­ ло. В тех случаях, когда продолжительность пластикации не яв­ ляется лимитирующим фактором, можно работать при низких ско­ ростях вращения червяка для создания условий более равномерной и непрерывной пластикации термопласта, как при работе экстру­ дера. Для облегчения выбора параметров режима работы чер­ вячного пластикатора можно построить, используя математическую модель политропической экструзии, диаграммы рабочих характе­ ристик червячного пластикатора 1Ѳ.

Течение расплава термопласта через сопло инжекционного цилиндра

Сопло является соединительным элементом между инжекционным цилиндром литьевой машины и литниковой системой формы.

затвердевшая пробка термопласта, температура затвердевания которого достаточно высока. Наличие обратного конуса облегчает удаление такой затвердевшей пробки материала вместе с литником.

В зависимости от типа перерабатываемого термопласта или размеров сопла в ряде случаев применяют отдельный обогрев соп­ ла с регулировкой температуры.

91

При литье термопластов с низкой вязкостью расплава (поли­ амиды) зачастую расплав вытекает из открытого отверстия сопла. В этом случае применяют специальные конструкции сопел с за­ порным каналом, одна из которых показана на рис. II. 15.

Наряду с впуском литникового канала сопло является тем ме­ стом, где происходит наиболее резкое изменение скорости сдвига при литье. Поэтому можно ожидать, что в сопле будет происходить повышение температуры расплава. В свою очередь, изменение температуры расплава долж­

ле. Расчеты показывают 20, что повышение температуры в стенках сопла при давлении около 125 МПа может достигать 120 °С.

Длина сопла не оказывает особого влияния на изменение его % температуры, если давление не меняется 20. В то же время темпера­ тура сопла вблизи отверстия повышается прямо пропорционально

Рис. II. 16. Зависимость прироста температуры сопла от скорости течения полистирола через сопло диаметром 1 мм при разной длине капилляра сопла I (1, 3, 4 — 1 мм; 2, 5, 6 — 10 мм) и температуре

расплава t:

7—170 °С; 2, 4, 5—176 °С; 3, 6—244 °С (пунктирные кривые —легкотекучий полистирол).

средней скорости течения расплава термопласта. Поэтому при по­ стоянной средней скорости течения у коротких сопел наблюдается все же большее повышение температуры расплава, чем у длинных (рис. II. 16). Вероятно, это объясняется тем, что отвод тепла от стенок канала сопла в остальную часть сопла происходит более интенсивно у длинных сопел. Нагрев сопла за счет трения умень­ шается с повышением температуры расплава полистирола и при

92

продавливании через сопло более легкотекучего полистирола. По­ вышение температуры в зависимости от средней скорости течения у полиэтилена и полипропилена меньше, чем у полистирола.

На рис. II. 17 представлено распределение температур в сопле, полученное при определенных условиях выдавливания полисти­ рола (автоматическая работа литьевой машины при продолжи­ тельности цикла 30 с и различных давлениях) 20. Из рисунка видно, что главный эффект образования тепла возникает непосредственно

10—в головке цилиндра.

у входа в отверстие сопла. Температура капилляра сопла резко повышается начиная с первого впрыска и через несколько циклов достигает максимума. Температура стенки сопла (точка 7) повы­ шается медленно и достигает максимума после 14 циклов впрыска, причем температура стенки сопла несколько превышает темпера­ туру расплава полистирола. Температура сопла вблизи капилляра и в капилляре значительно меняется с давлением. Повышение температуры расплава полистирола на 50°С приводит к повыше­ нию температуры стенки капилляра сопла только на 20 °С, что, оче­ видно, объясняется уменьшением вязкости расплава.

Давление при литье, как показали эксперименты, проведенные непосредственно на литьевой машине, оказывает значительное влия­ ние на повышение температуры расплава при течении через узкое отверстие сопла. Так, из рис. II. 18 видно, что с ростом давления происходит линейное повышение температуры расплава полисти­ рола. У полиэтилена и полипропилена наблюдается еще большее

93

повышение температуры расплава (примерно на 15% больше, чем у полистирола) при изменении давления литья. В среднем можно считать20, что при повышении давления на каждые 10 МПа по­ вышение температуры составляет 4,3°С для полистирола, 4,8 °С для полиэтилена и 5°С для полипропилена при диаметре сопла 0,8—3,0 мм.

Изменение температуры полистирола мало зависит от диаметра сопла.

Так, при давлении 50 МПа изменение диаметра сопла от 0,5 до 3 мм влечет за собой повышение температуры расплава на 8°С, как это следует из приведенных ниже данных (исходная темпе­ ратура 230 °С):

При продавливании расплава полимера давление литья зави­ сит от температуры расплава и скорости его прохождения через сопло. Если при определенном диаметре сопла, а следовательно, и определенной скорости сдвига определить давление продавливания через сопло в зависимости от температуры расплава, то мож­ но найти температурный интервал переработки полимера при литье под давлением21.

Зависимость давления от температуры расплава представляют в координатах . логарифм давления — обратная абсолютная тем­ пература. При этом получают Z-образную кривую, по которой мож­ но обнаружить температуру начала разложения термопласта Тѵ и минимальную температуру литья при данной скорости сдвига Тм. Подобные кривые передают зависимость сопротивления термопла­ ста деформированию от температуры. Так, на рис. II. 19 показаны кривые давление — температура для поликапролактама, получен­ ные в результате продавливания через сопло. На рис. П. 20 при­ ведены аналогичные кривые для полиэтилена высокой плотности.

Две точки перегиба кривой давление — температура делят ее на три участка, соответствующие разным состояниям термопласта. Первый участок, лежащий в области температур выше темпера­ туры нижней точки перегиба кривой давление — температура, пред­ ставляет собой область химического разложения полимера, а тем­ пература, соответствующая нижней точке перегиба, соответствует началу разложения полимера Тѵ. Второй участок, лежащий между двумя точками перегиба кривой давление — температура, является

94

4 Зак. 657

Г л а в а III

ФОРМОВАНИЕ ТЕРМОПЛАСТОВ В ЛИТЬЕВОЙ ФОРМЕ

При литье под давлением определенный объем полимера в виде гранул подается из загрузочной воронки в нагревательный цилиндр литьевой машины при каждом ходе поршня. Обычно полимер про­ ходит через нагревательный цилиндр за несколько циклов, посколь­ ку масса полимера в нагревательном цилиндре в несколько раз превышает максимальную массу отливки для данной машины. По­ этому продолжительность пребывания полимера в нагревательном цилиндре зависит от продолжительности цикла и массы изделия.

При движении поршня расплавленный полимер вытесняется из нагревательного цилиндра через сопло и литниковые каналы в по­ лость литьевой формы. После заполнения полости формы давле­ ние в ней на протяжении определенного времени поддерживается поршнем. При этом в форму дополнительно поступает некоторое количество полимера для компенсации его усадки при охлаждении. После отхода поршня часть полимера может вытекать из полости формы через литник из-за возникающего перепада давления, если полимер в литнике к этому времени не затвердел. После затверде­ вания полимера в литнике продолжается охлаждение изделия, и давление в форме спадает до некоторой определенной величины. Затем форма открывается, изделие удаляется из формы, и цикл повторяется снова.

Таким образом, цикл формования при литье под давлением может быть разделен на следующие этапы: 1) заполнение формы; 2) уплотнение полимера в форме; 3) вытекание полимера из фор­ мы; 4) затвердевание полимера в месте впуска; 5) охлаждение полимера в форме и удаление изделия. Эти этапы ниже будут рас­ смотрены более подробно. Однако прежде следует рассмотреть изме­ нение давления и температуры в процессе формования изделия.

Изменение давления и температуры термопластов в течение цикла формования

Проследим за изменением давления и температуры в зависи­ мости от времени в течение цикла литья1' 2 (рис. III. 1). Диаграм­ мы, приведенные на рисунке, иллюстрируют изменение давления и температуры только в определенных местах литьевой формы, тем

98

не менее они очень полезны для анализа отдельных этапов про­ цесса.

Движение поршня до начала течения полимера из сопла в лит­ никовый канал формы отвечает участку ОА. В этот момент поли­ мер имеет температуру, до которой он был нагрет в цилиндре литьевой машины. Точка А соответствует началу заполнения фор­ мы; в течение времени, соответствующего отрезку АБ, полимер втекает в полость формы. Температу­ ра полимера несколько повышается при течении.

Давление на поршне быстро дости­ гает максимального значения. Одно­ временно начинает повышаться давле­ ние в сопле. При достижении в сопле определенного динамического давле­ ния Рс начинается заполнение литни­

сопле может быть постоянным, пони­ жаться или повышаться в зависимости

нии. После заполнения полости формы в течение периода БВ происходит быстрое нарастание давления до максимума, а затем давление в форме начинает уменьшаться из-за охлаждения поли­ мера, в то время как давление в сопле несколько увеличивается. Максимальное давление в полости формы называется инжекционным давлением или давлением в форме.

В период быстрого увеличения давления происходит повыше­ ние температуры полимера до максимальной, определяющей сте­ пень термической деструкции термопласта. Максимальная темпе­ ратура расплава и максимальное давление в форме определяют также возможность образования грата на изделиях.

99