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

лении, а установленное давление в гидроцилиндре не достигается до тех пор, пока форма целиком не заполнена.

Если при заполнении формы расплавом сопротивление возра­ стает настолько, что сравняется с установленным давлением в гид­ роцилиндре, то течение расплава в форме, скорость которого опре­ деляется уже сопротивлением формы, называют «течением, контро­ лируемым формой». При этом виде течения движение поршня замедляется до окончания хода. Форма заполняется при постоян­ ном давлении и уменьшающейся объемной скорости.

На основе теоретического анализа процесса заполнения формы Бальман, Шусман и Тур предложили для обоих видов течения одну и ту же зависимость:

вперед; п — реологический показатель.

В этом уравнении в случае «течения, контролируемого маши­ ной» рг увеличивается со временем, а при «течении, контролируе­ мом формой» рг— постоянно.

Бальман, Шусман и Тур исследовали течение расплавов поли­ стирола и полиэтилена в формах различной геометрии на литье­ вых машинах разного типа 17 при фиксированных значениях тем­ пературы цилиндра, формы и давления поршня. Расстояние, на ко­ торое расплав проникает в форму, определяли как функцию про­ должительности движения поршня вперед (рис. III. 12).

На основании этих данных была рассчитана средгіяя скорость течения полимера ѵ, зависимость которой от продолжительности движения поршня Ѳ изображается в полулогарифмических коор­ динатах прямой линией (рис. III. 13, кривая /). Уравнение, пред­ ставляющее эту зависимость, можно записать в следующем виде:

V= ѵ0е-ѳ/в (ІИ-6)

где скорость на входе в форму ѵ0 и константа В — величины, зависящие от

конструкции формы, физических свойств полимера и условий заполнения формы.

Экспоненциальная-зависимость (III. 6) выполняется только _в условиях «течения, контролируемого формой». В тех случаях, ко­ гда установленное давление не достигалось, зависимость носила иной характер (рис. III. 13, кривая 2).

Длина течения может быть представлена как функция времени:

(III. 7)

При Ѳ—» oo уравнение (III. 7) принимает вид

ПО

где Xf — предельная длина течения при установленных параметрах литья.

Разделив уравнение (III. 7) на (III. 8), получаем:

128( 3 - 6 ) МПа.

апродолжительность заполнения определяется уравнением (III. 10), Если при тех же самых условиях за первой полостью формы сле­

дует вторая, то расплав уходит из первой полости со скоростью

входя во вторую полость со скоростью и0 2 = Vn/Su а затем ско­ рость заполнения уменьшается в соответствии с уравнением (III. 6), но теперь постоянная В имеет значение, соответствующее второму каналу. Течение продолжается до тех пор, пока будет достигнута величина Xf для второй полости или расплав войдет в третью полость и так далее.

i l l

Если наполняемая полость и предшествующие ей каналы яв­ ляются изотермическими, то для фронта потока, входящего в по­ лость, получается соотношение [см. уравнение (III. 5)]:

мости от давления и скорости заполнения формы расплавом. Ими показано, что линейная зависимость между предельной длиной те­ чения Xf и начальной скоростью заполнения Ѵо [см. уравнение (III. 8)] не является общей и справедлива только при малых ѵо и больших толщинах изделий 18.

Схема течения расплава в форме для кристаллического поли­ мера была рассмотрена Н. И. Басовым и И. И. Фелипчуком. Согласно этой схеме при течении имеются две зоны — неподвиж­ ная зона закристаллизованного полимера и зона расплава, при­ чем границей между ними является область фагового перехода 19.

При совместном решении реологического уравнения и уравне­ ний движения и теплопроводности для зон затвердевшего полимеоа и расплава было получено уравнение, связывающее предельную

112

длину течения с параметрами процесса литья, реологическими и теплофизическими свойствами термопласта20.

На основе этого уравнения были рассчитаны предельные длины течения полипропилена при литье пластин различной толщины в зависимости от температуры расплава и давления, причем откло­ нение экспериментальных величин от расчетных не превышало 25% на начальной стадии заполнения и 5% для максимальной длины заполнения20.

Удобные для практических расчетов урав­ нения скорости и предельной длины течения были получены В. Н. Гринблатом 12, рассмот­ ревшим течение расплава, в форме как изо­ термическое течение неньютоновской жид­ кости, подчиняющееся эмпирическому степен­ ному закону, по каналу, высота которого ме­ няется во время течения вследствие образо­ вания неподвижной оболочки затвердевшего полимера по уравнению (III. 2).

Для случая постоянного давления поршня объемная скорость заполнения равна

Предельная длина течения расплава в форме при постоянном давлении поршня определяется по формуле

где b — ширина канала; Н0 — высота канала.

В случае постоянной объемной скорости течения предельная длина течения равна

Экспериментальная проверка подтвердила возможность исполь­ зования уравнения (III.15) для определения предельной длины течения аморфных и кристаллических термопластов 12.

Непосредственное определение профиля скоростей при течении полистирола показало, что характер распределения скоростей по толщине формы меняется в зависимости от скорости движения

ИЗ

I

поршня (рис. III. 15). При увеличении скорости движения поршня8 сужается область сильной ориентации. Профиль скоростей стано­ вится более острым. Это означает, что различие в скорости между отдельными слоями повышается и увеличивается ориентация мо­ лекул в расплаве термопласта.

Давление при заполнении формы

Определение давления при заполнении формы полиэтиленом было проведено Штаубом21 для условий «течения, контролируемого машиной», поскольку большая часть изделий из полиэтилена на практике получается в таких условиях. С целью упрощения ана­ лиза результатов Штауб использовал уравнение течения расплава

термопласта через головку при экструзии22 и получил, что в усло­ виях постоянной объемной скорости течения и постоянной эффек­ тивной вязкости расплава (если охлаждение полиэтилена в форме минимально) давление должно изменяться прямо пропорциональ­ но длине полости и обратно пропорционально ширине полости и

кубу толщины полости, т. е.

12LQT1

что изменение давления прямо пропорционально длине течения. Интересно отметить, что с увеличением индекса расплава поли­ этилена (т. е. уменьшением молекулярного веса) давление запол­ нения уменьшается.

При увеличении ширины и толщины полости скорость сдвига уменьшается, что вызывает увеличение эффективной вязкости рас­ плава полимера. А это, в свою очередь, приводит к возрастанию

І И

давления заполнения. Однако сопротивление формы уменьшается, и, следовательно, давление заполнения должно понижаться. Пре­ обладающим является увеличение эффективной вязкости расплава полимера, что приводит при увеличении ширины полости от 50 до 190 мм к росту давления от 7 до 16 МПа.

Уменьшение толщины полости от 3,2 до 1,9 мм приводит к отно­ сительно небольшому увеличению давления заполнения — всего на 9,5 МПа (рис. III. 17). Дальнейшее уменьшение толщины полости до 0,9 мм вызывает значительное увеличение давления заполнения. Точки перегиба на кривых свидетельствуют об изменении характе­ ра течения фронта потока, который имеет вначале форму .полу­ круга, а затем переходит в прямолинейную форму. При круглой форме фронта потока с увеличением длины течения давление из­ меняется по экспоненте, а для прямолинейного фронта потока — линейно, в соответствии с уравнением (III. 17).

Ниже приведены данные о влиянии температуру расплава по­ лиэтилена на давление заполнения формы:

Из этих данных видно, что увеличение температуры полиэтилена приводит к наиболее заметному снижению давления заполнения при низкой температуре формы; подобным же образом повышение температуры формы вызывает наиболее значительное снижение давления при низкой температуре расплава полиэтилена. Однако при температуре материала выше 204°С изменение температуры формы не влияет на давление заполнения, т. е. в этих условиях для полиэтилена низкой плотности можно пренебречь охлаждением во время заполнения.

На давление заполнения оказывает влияние и скорость запол­

Из приведенных данных следует, что четырехкратному увели­ чению скорости наполнения соответствует менее чем двухкратное увеличение давления, что, очевидно, связано с уменьшением вяз­ кости расплава полиэтилена при повышении скорости сдвига.

Следует заметить, что во всех этих исследованиях давление замеряли только в одном произвольном месте, и даже не в форме, а в литниковой системе; поэтому по результатам таких экспери­ ментов, естественно, нельзя точно судить о характере давления в других частях полости формы.

115

Интересные исследования изменения давления по длине литье­ вой формы были проведены Э. Л. Калинчевым23. Давление изме­ рялось непосредственно в форме в нескольких местах по длине

изделия (рис. III. 18). Как видно из рис. III. 18, даже длинная форма может быть заполнена полистиролом при соответствующих давлении и температуре. Для коротких изделий требуется очень

низкое начальное давление. С повышением температуры полисти­ рола необходимое давление снижается.

Падение давления по длине литьевой формы может быть при­ ближенно описано следующим выражением:

116

После заполнения формы давление в ней постепенно повышает­ ся, как показано на рис. III.20.

Удаление воздуха и газов при заполнении формы

Повышение скорости впрыска на современных литьевых маши­ нах связано с вентиляцией литьевых форм; воздух и газы, выде­ ляющиеся из расплава полимера, должны быть удалены во избе­ жание различных осложнений. Удаление воздуха из полости формы при чрезмерном давлении может'приводить к излишнему уплот­ нению термопласта в полости формы и, следовательно, к возник­ новению высоких внутренних напряжений или искривлению изде­ лий. При плотном замыкании формы, когда не обеспечена возмож­ ность удаления из нее воздуха, на изделии в месте скопления воздуха или газа может образоваться дырка или темное пятно (по­ лимер разлагается вследствие излишнего повышения температуры в месте сжатия воздуха). Продукты разложения при высоких тем­ пературах и давлениях могут вызывать дефекты даже на поверх­ ности металла в полости формы.

Обычно воздух из литьевых форм вытесняется через зазоры, образующиеся между двумя частями формы в плоскости’ их разъе­ ма или между стенкой формы и выталкивающей шпилькой. Часто предусматриваются специальные зазоры для удаления воздуха и газов, размеры которых не позволяют вытекать расплаву термо­ пласта. Эти зазоры располагаются обычно как можно дальше от места впуска материала или в местах встречи потоков материала в полости формы. Специальные зазоры24, как правило, не пре­ вышают по толщине 0,05—0,075 мм при ширине зазора б—10 мм.

При литье некоторых термопластов выделяются газы. Так, те­ чение поливинилхлорида обычно сопровождается выделением не­ которого количества хлористого водорода. Это может приводить к появлению тусклых мест и матовой поверхности изделий.

Присутствие газов при литье полиамидов приводит к появле­ нию дефектов. При высокой температуре расплава полиамидов происходит быстрый нагрев запертого воздуха и окисление поли­ амида. Кроме того, вследствие низкой вязкости расплавов поли­ амидов части литьевой формы должны быть подогнаны очень плотно, а это затрудняет достижение хорошей вентиляции. При конструировании форм для литья полиамидов вопросам вентиля­ ции необходимо уделять особое внимание.

При литье полиэтилена, как правило, образуется очень мало газов, однако наличие запертого воздуха может быть причиной появления в изделии слабых мест с пониженной механической прочностью. Полиэтилен легко затекает в очень маленькие зазоры, поэтому размеры зазоров для вентиляции формы должны быть меньше, чем при литье других материалов.

117

В процессе переработки полиметилметакрилата может выде­ ляться некоторое количество газов, особенно при использовании высоких скоростей впрыска и значительных давлений. Возможно появление раковин или искривление изделия.

Уплотнение расплава термопласта в форме

Как уже отмечалось (см. рис. III. 1), после заполнения формы, во время выдержки под давлением, начинается период 'нарастания давления в форме вследствие поступления в форму дополнитель­ ного количества материала. Материал в форме при этом уплот­ няется (см. рис. III. 1, участок ВГ). Падение давления на участке ВГ объясняется тем, что скорость усадки материала в результате охлаждения превышает скорость поступления расплава. Период уплотнения полимера в форме является очень важным в процессе формования изделия при литье под давлением, поэтому следует подробно рассмотреть происходящие в этот период изменения.

На уплотнение полимера, естественно, наибольшее влияние ока­ зывает продолжительность действия максимального давления, воз­ никающего после заполнения формы. В связи с этим целесообразно

впервую очередь рассмотреть изменение максимального давления

вформе в зависимости от различных факторов.

Поступление полимера в форму не прекращается с момента ее заполнения. Давление в форме в момент ее заполнения относи­ тельно низкое, и до тех пор, пока давление в форме меньше дав­ ления поршня, полимер непрерывно течет в форму, в результате чего давление в форме быстро повышается. Однако имеется и про­ тивоположная тенденция — к понижению давления, поскольку по­ лимер охлаждается. В результате суммирования этих тенденций давление быстро повышается до некоторого максимального значе­ ния и затем медленно падает; при этом давление в форме значи­ тельно ниже, чем давление поршня. Таким образом, течение рас­ плава происходит непрерывно во время движения поршня и вы­ держки под давлением до тех пор, пока скорость течения не уменьшится настолько, что полимер затвердевает во впуске лит­ ника.

Максимальное давление в форме

После заполнения формы расплавом термопласта в ней воз­ никает максимальное давление, действующее на поверхность по­ лости формы. Усилие, обусловленное этим давлением, направлено против усилия запирания формы.

Часто можно наблюдать раскрытие формы в момент возникно­ вения максимального давления. Образующийся зазор сохраняется во время выдержки под давлением или исчезает при обратном движении половин формы. Такое раскрытие половин формы воз­ можно за счет деформации системы форма — механизм запирания

118

из-за удлинения направляющих колонн узла замыкания формы. Литье под давлением, при котором происходит такое раскрытие формы, называется «литьем с дышащей формой»25.

Возможны два крайних случая. Если площадь литья относи­ тельно мала, то раскрытия формы не происходит; если площадь литья равна или больше допустимой площади литья для данного усилия запирания, то может произойти очень значительное рас­ крытие формы в момент достижения максимального давления.

Масса изделия при литье должна уменьшаться с ростом температуры расплава, поскольку при этом удельный объем расплава

тия формы после достижения в ней максимального давления. Между величиной раскрытия формы и массой пластины имеется прямая связь (рис. III. 21).

Следует отметить, что толщина пластины увеличивалась на­ много больше (на 1 г массы изделия — 0,075 мм для полистирола и 0,06 мм для полипропилена), чем соответствующее раскрытие формы. По-видимому, это связано с тем, что кроме раскрытия формы происходит деформация ее полости, особенно в центре фор­ мы, где максимальное давление наиболее высоко. Таким образом, увеличение толщины детали под влиянием технологических пара­ метров процесса литья объясняется не только свойствами термо­ пласта, но и жесткостью системы форма — механизм запирания27.

В случае систем с низкой жесткостью нужно применять мень­ шие максимальные давления в форме, а при необходимости высо­ ких максимальных давлений при литье следует использовать ли­ тьевые формы с достаточной жесткостью. Для определения максимально возможного давления в форме Спенсер и Гильмор предложили для полистирола использовать следующее эмпириче­

11?