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

прочность спая повышается. Так, при удалении воздуха предел прочности при статическом изгибе полистирола в месте спая 76 со­ ставляет 36,5 МПа, а без вентиляции — всего 17,5 МПа. Прочность спая ударопрочного полистирола СНП при низких температурах литья значительно ниже прочности материала без спая (рис. IV. 43).

Температура формы при литье ударопрочного полистирола, как и при литье полистирола, не оказывает существенного влияния на прочность спая. Повышение давления на поршне приводит к не­ большому увеличению прочности спая, образующегося в конце заполнения формы.

Таким образом, очевидно, что у аморфных полимеров с повы­ шением температуры литья прочность спая при растяжении уве­ личивается; другие параметры процесса литья слабо влияют на прочность спаев.

Наименьшее отношение прочности спая при растяжении к проч­ ности в направлении ориентации образца при высоких темпера­ турах литья соответствует ударопрочному полистиролу, как это следует из приведенных ниже данных:

* В скобках указаны температуры литья, °С.

Для блочного полистирола, ПКНД-10 и сополимера МСН это отношение находится в пределах 0,78—0,84. Отношение прочности спая к прочности поперек ориентации при высоких температурах литья у таких материалов, как полистирол и сополимер МСН, со­ ставляет 1,34—1,44. Это означает, что прочность спая при высоких температурах литья значительно превышает прочность этих мате­ риалов в направлении, перпендикулярном ориентации70. Отноше­ ние прочности спая к прочности поперек ориентации для ПКНД-10 и ударопрочного полистирола при высокой температуре литья находится в пределах 0,8—1,06. Это также свидетельствует о том, что присутствие в полистироле и его сополимерах каучука препятствует образованию прочных спаев при литье под давле­ нием. Что касается кристаллических полимеров, то у полиэтилена высокой плотности40 отношение прочности спая к прочности вдоль ориентации находится в пределах 0,87—0,95, у полипропилена81 при низких температурах литья — 0,73, а при высоких температу­ рах литья — 0,95—1,0.

190

Наличие спаев особенно сильно влияет на показатели ударной вязкости. Так, у образцов полиформальдегида82 со спаем в центре

вязкости полиформальдегида в направлении, перпендикулярном ориентации:

Для полиметилметакрилата 40 это отношение колеблется в прёделах 0,20—0,37, а для полистирола76 — 0,15—0,5. При испытаний на удар образцов размером 100 X Ю ХЗ мм, вырезанных из литых дисков диаметром 100 мм, были получены еще более низкие значения83: для полистирола — 0,13, а для сополимера стирола с акри­ лонитрилом— 0,15. Интересно отметить, что композиции, состоя­ щие из полистирола и сополимера стирола с бутадиеном, имеют еще более низкие показатели83 отношения прочности спаев к проч­ ности вдоль ориентации (0,06—0,08).

Таким образом, места спаев ухудшают механические свойства литьевых изделий. Поэтому, когда изделия со спаями подвер­ гаются механическому воздействию, вызывающему двухосные на­ пряжения (например, при испытании падающим грузом), то места спаев в изделии проявляются очень заметно. Так, на рис. IV. 45 представлены результаты испытаний падающим грузом образцов

191

из ударопрочного полистирола различной толщины со спаем и без спая, полученных при различных температурах литья58. Для срав­ нения приведены результаты испытания образцов, изготовленных прессованием.

Из рисунка видно, что прочность спая повышается с увеличе­ нием толщины образца. В то же время прочность образцов со спаем значительно выше проч­ ности образцов без спая. Об­ разцы, полученные прессова­ нием, имеют еще более высо­ кую прочность на удар. Это, очевидно, связано с отсут­ ствием ориентации при прессо­ вании, а снижение прочности

3 —38 мм; 4 — 75 мм; 5—125 мм.

литьевых образцов без спая обусловлено наличием ориентации. Возрастание прочности на удар литьевых образцов без спая при повышении температуры литья связано со снижением ориентации/ которая нарушается в месте соединения потоков материала.

Образцы со спаем кристаллического полимера оказались ме­ нее прочными, чем образцы без спая (рис. IV. 46). Образцы, изго­ товленные прессованием, имеют прочность на удар, близкую к литьевым образцам. Очевидно, в этом случае ориентация имеет малое влияние на прочность на удар.

Для достижения высокой прочности спаев при литье под дав­ лением необходимо обеспечить хорошее слияние потоков мате­ риала путем сохранения необходимой вязкости расплава термо­ пласта. Эта вязкость может быть обеспечена при соответствующих температуре литья и уменьшении тепловых потерь при течении расплава в форме за счет высокой температуры формы, уменьше­ ния длины течения до спая и быстрого заполнения формы. Необхо­

192

димо также обеспечить соответствующее давление, поскольку оно хотя и в небольшой степени, но все же влияет на прочность спая, как это видно из рис. IV. 47. Из рисунка видно также, как влияет расположение литника на прочность спаев полиэтилена низкой плотности. Чем дальше расположен спай в изделии от литника, тем ниже его прочность.

11.В a i 1 е у G. W., J. Polymer Sei., 62, 241 (1962).

12.Та гер А. А. Физико-химия -полимеров. М., «Химия», 1968. 536 с.

39. W о е b с k е n W., Kunststoffe, 51, 547 (1961),

№ 8, 35 (1966).

83.Н ö g b е г g Н„ Mod. Plast., 33, № 3, 150 (1955),

194

Г л а в а V

ЛИТЬЕВЫЕ ИЗДЕЛИЯ

В настоящее время производство литьевых изделий из термо­ пластов развивается очень быстрыми темпами. Однако примене­ ние литьевых изделий в значительной мере ограничено областями, где они не подвергаются длительным механическим нагрузкам, по­ скольку на механические свойства термопластов влияют многие факторы, которые еще изучены недостаточно1. До сих пор при разработке конструкции литьевых изделий, рассчитанных даже на длительную эксплуатацию под нагрузкой, исходят лишь из усло­ вий переработки и экономических предпосылок. Характеристики прочности обычно определяют только на готовой конструкции. Это связано как с огромным разнообразием видов литьевых изделий, так и с рядом особенностей процесса переработки термопластов методом литья под давлением.

Одной из важнейших особенностей процесса литья под давле­ нием является возникновение в изделиях ориентации и внутрен­ них напряжений, которые, как было показано в гл. IV, очень сильно влияют на механические свойства литьевых изделий. Ве­ личины ориентации и внутренних напряжений зависят не только от свойств термопласта и условий литья под давлением, но,также и от геометрии литьевой детали, в частности ее толщины и конфи­ гурации. В большинстве литьевых изделий ориентация и внутрен­ ние напряжения являются нежелательным явлением, поскольку они приводят к анизотропии механических свойств, недостаточной стабильности размеров и растрескиванию изделия со временем или под воздействием агрессивных сред.

Очевидно, при конструировании литьевых изделий необходимо учитывать не только свойства того или иного термопласта, но и также особенности процессов изготовления изделий методом литья под давлением. Целесообразно рассмотреть основные фак­ торы, которые следует учитывать при оформлении деталей, из­ готавливаемых литьем под давлением. Несмотря на большое ко­ личество видов термопластов, принципы оформления литьеЬых из­ делий из этих материалов в основном одни и те же, поскольку процесс формования таких изделий является единым для всех тер,- мопластов.

При изготовлении литьевых изделий большое значение имеет достижение хорошей внешней поверхности и нужных размеров.

Отсутствие дефектов на поверхности литьевых изделий в опреде­ ленной степени свидетельствует о правильном выборе технологии литья, при разработке которой в должной мере были учтены свой­ ства термопласта, принципы оформления изделия и конструирова­ ния литниковой системы и правильно подобраны условия литья. В связи с этим целесообразно рассмотреть причины возникнове­ ния дефектов на поверхности литьевых изделий и пути их устра­ нения. Не менее важно также рассмотреть часто встречающееся явление искривления литьевых изделий после их извлечения из литьевой формы.

В настоящее время все больше повышаются требования к со­ блюдению точных размеров литьевых изделий, поскольку все больше расширяется область применения термопластов для изго­ товления точных технических деталей. В связи с этим все боль­ шее значение для технологии литья под давлением приобретают вопросы усадки и допусков при литье.

На изменение размеров литьевых изделий и их свойств после изготовления могут влиять процессы релаксации внутренних на­ пряжений и вторичной кристаллизации, которые протекают в раз­ личной степени в зависимости от внешнего воздействия (темпера­ туры, влаги и т. д.). Для уменьшения внутренних напряжений и стабилизации размеров литьевые изделия иногда подвергают после литья дополнительной тепловой обработке.

Оформление литьевых изделий

Выбор типа термопласта и условий его литья под давлением должен быть основан на тщательном рассмотрении особенностей его свойств и поведения при переработке. Основные характери­ стики готового изделия, такие, как механическая прочность, элек­ трические свойства, химическая стойкость, стабильность размеров, теплостойкость и поглощение влаги, в значительной степени опре­ деляются выбором типа и марки литьевого материала.

Обычно при разработке конструкции изделий из термопластов в первую очередь исходят из целей применения и функций де­ тали, поэтому часто пренебрегают технологией литья под давле­ нием и специфическими свойствами выбранного материала. Од­ нако для достижения оптимальных условий изготовления данной детали при ее оформлении необходимо учитывать не только спе­ цифические свойства данной марки материала и особенности его переработки, но также и возможность целесообразного конструирования литьевой формы.

Влияние свойств термопласта

При разработке конструкции большинства литьевых деталей имеют значение такие свойства материала, как механическая проч­ ность, теплостойкость, морозостойкость, химическая стойкость, ста­

196

бильность размеров, поглощение влаги, цвет и усадка; не менее важное значение имеет и стоимость материала.

При выборе типа термопласта и его марки обычно в первую очередь учитывают механические свойства. При этом, как правило, руководствуются показателями механических свойств, определяе­ мых на стандартных образцах при определенных условиях испы­ таний2. Однако, хотя эти показатели механических свойств и до­ статочны для первоначального выбора материала, они не могут служить для предсказания его поведения во всех случаях.

Показатели механических свойств, полученные на стандартных образцах, могут быть обеспечены только для изделий такой же формы и при тех же условиях изготовления3. В этом можно легко убедиться4 при сравнении механических свойств стандартных об­ разцов ударопрочного полистирола и образцов, вырезанных из шкафа холодильника, изготовленного методом литья под давле­ нием (табл. у. 1).

Таблица Ѵ.1. Механические свойства ударопрочного полистирола

Для многих областей применения выбор типа и марки термо­ пласта зависит от оптимального соотношения между модулем упругости, поведением при ударе и перерабатываемостью литьем под давлением, поскольку эти факторы влияют друг на друга. На­ пример, повышение прочности на удар обычно связано с соответ­ ствующим уменьшением жесткости, т. е. модуля упругости. Модуль упругости также изменяется со временем в зависимости от тем­ пературы и напряжения; поведение при ударе зависит от темпера­ туры, условий переработки и конструкции изделия. На эти свой­ ства оказывают также влияние химические вещества, ультрафио­ летовое облучение и тепловое старение.

Для сохранения формы деталей во время эксплуатации должны применяться такие нагрузки, при которых проявляются только упругие деформации, а остаточные деформации отсутствуют. По­ этому обычные значения показателей прочности не могут быть

197

использованы для расчета конструкционных деталей. Например, для поликарбоната значение предела текучести при растяжении составляет 62 МПа. Но при этом, как показано на диаграмме на­ пряжение-удлинение (рис. V. 1) удлинение составляет около 7%. Естественно, что деталь, нагруженная напряжением 62 МПа, уже не будет сохранять постоянство своей формы. Из кривой напря­ жение— удлинение можно также установить, что предел прочно--

сти при растяжении лежит значительно вы­ ше области упругости, в которой напряже­ ние пропорционально удлинению до грани­ цы пропорциональности Р.

должно приниматься во внимание при конструировании литьевых деталей.

Практически для конструкционных деталей в ряде случаев допустимо остаточное удлинение порядка 1%. При этом для по­ ликарбоната напряжение составит 53 МПа с общим удлинением 3,4%.

Таким образом, очевидно, что обычные данные о прочности при растяжении не могут быть использованы для расчетов даже при кратковременном воздействии нагрузки. Тем более эти данные не могут быть использованы для изделий, подвергающихся дли­

Таким образом, механические-свойства термопластов зависят от трех важнейших основных параметров: времени, температуры и

198

нагрузки. Поэтому для конструирования литьевых деталей, подвер­ женных длительным растягивающим нагрузкам, необходимы дан­ ные о длительной прочности или о кривых ползучести, которые

Рис. V. 2. Зависимость удлинения сополимера формальдегида от продолжи' дельности действия нагрузки при 20 °С и различных напряжениях:

1—10 МПа; 2—20: 3 — 30; 4— -20 5—50 МПа.

обычно представляют собой изменение деформации в зависимости от времени при различных напряжениях в условиях постоянной температуры. Подобные кривые для сополимера на основе форм­ альдегида приведены8 на рис. V. 2.

199