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

канала. В некоторых случаях небольшое количёство затвердев­ шего Материала может сдвигаться вдоль поверхности формы. Тогда дефекты поверхности могут появиться в других местах изделия. Они могут возникать далеко от впуска, в тех местах детали, где образуется нере­ гулярный поток. Это происходит наи­ более часто там, где толщина стенки резко изменяется и где поток рас­ плава внезапно меняет свое направ­

ление 18.

Дефекты, связанные с нерегулярно­ стью потока, наиболее трудно устра­ няются при литье кристаллических по­ лимеров. Кристаллические полимеры имеют довольно высокую температуру плавления и затвердевают значительно быстрее и в более узком интервале температур, чем аморфные. Поэтому для кристаллических полимеров имеет­ ся меньше времени для сваривания не­ регулярной части потока с остальной массой полимера в полости формы.

Дефекты, возникающие из-за нере­ гулярности потока расплава, обычно устраняются за счет повышения температуры формы, устройства

местного нагрева формы в области впуска, уменьшения скорости движения поршня литьевой машины или увеличения размеров

верхности и расположенной на расстоянии D от стенки формы, действуют напряжения сдвига т и нормальные напряжения рі.

При критических условиях межповерхностного разрушения силы, вызывающие разрушение, должны быть уравновешены си­

210

лами адгезии полимера к стенкам формы и прочностью связи по­ лимера с наполнителем:

Заменяя напряжение сдвига на произведение вязкости и скоро­ сти сдвига riY и используя соотношение между нормальным напря­ жением Рі и упругоэластической деформацией уг = р±/т, уравне­ ние (V. 2) можно представить в виде

Из уравнения (V. 3) следует, что тенденция материала к по­ верхностному разрушению должна увеличиваться, когда повы­ шаются вязкость расплава и скорость сдвига и уменьшаются ад­ гезионная прочность между наполнителем и полимером, коэффи­ циент трения и упругость расплава.

Эксперименты показывают, что разрушение поверхности проис­ ходит в начале заполнения формы и возникает обычно в области впускного литникового канала. Так, при литье образцов из сополи­ мера тетрафторэтилена и гексафторпропилена при скорости сдвига 55—70 с-1 разрушений на поверхности не возникает, а при ПО— 150 с-1 уже происходит разрушение поверхности образца, которое выражается в отслаивании поверхностных слоев 20. В случае изо­ термического течения этого сополимера при температуре литья критическая скорость фцв-ига, при которой наблюдается нестабиль­ ность течения, составляет около 200 с-1. Если при литье полисти­ рола, например, поверхность формы покрыть силиконовой смазкой, то вследствие изменения коэффициента трения полимера о стенки формы можно наблюдать разрушение поверхности изделия 1Э.

Усадка литьевых изделий

Усадка и ее стабильность от цикла к циклу литья является ос­ новным фактором, определяющим точность размеров изделия (при достаточной точности изготовления литьевой формы). Под усадкой обычно подразумевается абсолютное или относительное уменьше­ ние размеров изделия по сравнению с размерами полости литьевой формы. Если, например, определенный размер в полости равен /п, а размер изделия /и, то абсолютная усадка Уа равна:

а относительная усадка У0

211

В качестве характеристики усадки термопласта используется разность между усадкой вдоль течения Уат и поперек Уап течения материала в форме.. Абсолютная разность в уса,дке равна

а относительная разность, или анизотропия усадки

Усадка литьевых изделий при охлаждении происходит в три стадии, различные по условиям и характеру их протекания. Пер­ вая и вторая стадии проходят в литьевой форме от момента запол­ нения формы до удаления изделия, а третья стадия протекает после

Рис. V. 18. Зависимость усадки полиформальдегида от времени выдержки под давлением для образцов толщиной 3 мм при тем­ пературе формы 100 °С и давлении литья 100 МПа.

удаления изделия из формы при охлаждении его до температуры окружающей среды.

Усадка на первой стадии определяется главным образом давле­ нием в форме и может в значительной степени компенсироваться за счет процесса уплотнения. Во время выдержки под давлением температура материала понижается, а плотность увеличивается. В связи с этим объем первоначально вошедшего в форму термо­ пласта уменьшается. Однако непрерывная подача расплава поли­ мера в этот период из нагревательного цилиндра компенсирует из­ менение объема материала в форме. Увеличение массы изделия и непрерывное уплотнение термопласта в форме происходят до тех пор, пока термопласт не затвердеет во впускном канале. Таким об­ разом, усадка в форме зависит от времени, в течение которого дав­ ление передается в форму. Например, усадка полиформальдегида уменьшается с увеличением времени выдержки под давлением до определенного значения, после достижения которого сохраняется постоянной (рис. V. 18). В то же время масса детали увеличивается до максимума, который соответствует минимальной усадке.

При соответствующих давлении и времени выдержки под дав­ лением усадка на первой стадии может быть полностью скомпен­ сирована 21 (рис. V. 19). Как видно из рисунка, при малых значе­ ниях выдержки под давлением усадка образцов разной толщины очень различна. Однако с увеличением времени выдержки под

212

давлением это различие становится все меньше, и если время вы­ держки под давлением выбрано в соответствии с толщиной об­ разца, то практически усадка от толщины образца не зависит. Та­ кая компенсация усадки у полиформальдегида возможна только в том случае, если толщина впускного литникового канала равна или больше половины толщины изделия.

Вторая стадия начинается после затвердевания полимера во впускном канале и продолжается до момента открытия формы и удаления изделия из формы. На второй стадии уже не происходит подачи расплава в форму, и масса материала не изменяется. При этих условиях усадка аморфного полимера происходит за счет тер­ мического сокращения, определяемого коэффициентом объемного расширения. Усадка зависит от скорости охлаждения, определяе­ мой температурой формы. Чем ниже температура формы, тем меньше усадка аморфного термопласта. В случае кристаллических полимеров усадка на этой стадии определяется главным образом процессом кристаллизации, в результате которого происходит зна­ чительное уменьшение размеров литьевых изделий. Определяющим фактором на этой стадии для кристаллических полимеров яв­ ляется температура формы. Чем выше температура формы, тем больше усадка кристаллического полимера, поскольку отвод тепла происходит медленнее и кристаллизация протекает полнее.

Рис. V. 19. Зависимость усадки полиформальдегида от времени выдержки под давлением при температуре формы 100 °С и давле­ нии литья 80 МПа для образцов различной толщины:

1~і2 мм; 2— 3; 3— 4; 4—б; 5— 6; 6—8 мм.

Усадка в форме на второй стадии может быть свободной, когда оформляющие части формы не препятствуют усадке материала, или несвободной, когда оформляющие части препятствуют сокра­ щению термопласта, например при наличии металлической арма­ туры в изделии.

На третьей стадии, после удаления изделия из формы, проис­ ходит только свободная усадка, если, конечно, изделие не сажают

213

на какую-либо оправку. Уменьшение объема изделия при этом оп­ ределяется 22 разницей между температурой, при которой изделие было извлечено из формы, и температурой окружающей среды, а также объемным коэффициентом термического расширения. Ниже приведены данные о зависимости усадки поликарбоната от

Расчетная усадка равна

При сопоставлении расчетной усадки, приведенной выше, со значениями усадки, полученными экспериментально, обнаружи­ вается их хорошее совпадение. Это свидетельствует о том, что усадка термопласта на третьей стадии действительно определяется значением коэффициента термического расширения термопласта.

Искривление литьевых изделий

У изделий, изготовленных литьем под давлением, часто наблю­ дается искривление, т. е. отклонение формы литьевой детали от формы полости для литья. Наиболее часто искривление появляется у плоских изделий, таких, как подносы, ящики и т. п.

Склонность к искривлению различных типов термопластов не­ одинакова. Кристаллические полимеры более склонны к искривле­ нию, чем аморфные. На искривление влияют параметры процесса литья, конструкция изделия и литьевой формы. Склонность термо­ пласта к искривлению зависит также от разности между радиаль­ ной и тангенциальной усадкой23 эта разность обусловлена мо­ лекулярной ориентацией термопласта. Как правило, усадка в направлении течения больше, чем в перпендикулярном направ­ лении. Термическая усадка увеличивается за счет релаксации ориентационных напряжений после заполнения формы.

При заполнении литьевой формы молекулы полимера распола­ гаются вдоль направления течения, но после прекращения течения они пытаются вернуться к своей нормальной свернутой конформа­ ции. Если это происходит, то длина детали в этом направлении уменьшается. Число макромолекул, ориентированных перпендику­ лярно направлению течения, намного меньше, чем ориентирован­ ных в направлении течения, поэтому усадка в результате релакса-

214

ции намного меньше в направлении, перпендикулярном течению, чем в направлении течения, как показано в табл. V. 2.

Таблица V.2. Усадка термопластов (в %) в направлении течения Ут и перпендикулярно течению У п в зависимости от толщины образца

Вследствие меньшего термического сокращения аморфных по­ лимеров усадка их намного меньше, чем кристаллических, но имеется различие в усадке во взаимно перпендикулярных направ­ лениях за счет ориентации.

У полиэтилена высокой плотности различие в усадке в двух взаимно перпендикулярных направлениях может достигать еще больших значений24: в направлении течения усадка составляет 2,8—3,2%, а в перпендикулярном направлении равна 1,8—2%.

На различие усадки в двух направлениях оказывает влияние молекулярный вес термопласта и распределение по молекулярным весам. Например, для полиэтилена высокой плотности с индексом

разце) 25. Полиэтилен высокой плотности с узким распределением по молекулярным весам имеет меньшую тенденцию к искривлению, чем полиэтилен с широким распределением.

Некоторые добавки, например пигменты (фталоцианин голубой и зеленый), повышают усадку полиэтилена высокой плотности и тем самым способствуют искривлению литьевых изделий 26.

Различие в усадке вдоль и поперек течения приводит к искрив­ лению литьевой детали, если она не обладает достаточной жест­ костью. Например, в случае плоского изделия с литником в центре (рис. V .20) радиальная усадка превосходит тангенциальную, что приводит к искривлению изделия. При расположении литника сбоку продольная усадка превышает поперечную, а также наблю­ дается искривление,

Для уменьшения - искривления такого изделия должны быть созданы условия, при которых уменьшается ориентация при тече­ нии или замедляется релаксация ориентационных напряжений.

215

Наиболее эффективным методом уменьшения ориентации, возникающей при течении, является использование высоких температур расплава термопласта.

Уменьшить релаксацию ориентационных напряжений можно применением очень низких температур литьевой формы, что в ряде

Рис. V. 20. Схема искривления плоского изделия при различном расположении впуска литника;

а —в центре изделия; б —сбоку.

случаев позволяет получать изделия без искривления. Однако этот эффект часто является временным, поскольку при очень быстром охлаждении возникают значительные внутренние напряжения, дей­ ствие которых может затем проявиться в процессе эксплуатации изделия или при повышенных температурах, что приведет к искрив­ лению изделия.

Холодная Теплая

Для получения неискривленных плоских изделий необходимо обеспечить правильное расположение впускноТо литникового ка­ нала; особенное внимание следует обращать на характер течения материала. Так, если в форме создать параллельное течение, то, несмотря на различную усадку в двух взаимно перпендикуляр­ ных направлениях, не возникает напряжений, вызывающих ис­ кривление. Это достигается применением щелевого литника (см. рис. V. 13). Для предупреждения искривлений применяют также многовпускной литник (рис, V .21),

21Q

При одном центральном впуске литникового канала в месте А усадка в направлении течения по AB и АС больше, чем в направ­ лении ВС, и поэтому возникнет искривление. Однако если в местах В и С расположить7 дополнительно впуски литникового канала, то усадка вдоль трех направлений будет одинаковой, поскольку на­ правление ВС также станет направлением течения 27.

Часто причиной коробления деталей является неравномерное охлаждение их в литьевой форме. Если, например, плоская пла­ стина отливается в форме, половины которой имеют различную температуру, то происходит искривление пластины, как показано на рис. V. 22, а. Расплав, прилегающий к холодной поверхности формы, охлаждается быстрее, в то время как усадка слоев, приле­ гающих к теплой поверхности, продолжается. Неравномерная усад­ ка приводит к искривлению плоского изделия. При изготовлении прямоугольной коробки разность температур в матрице и пуансоне литьевой формы может привести к различному искривлению ко­ робки в зависимости от того, какая из частей формы холоднее (рис. V. 22, б, в). Таким образом, охлаждение литьевых форм должно быть равномерным.

Термообработка литьевых изделий

Изменение размеров или механических свойств литьевых изде­ лий может происходить после окончания цикла литья до тех пор, пока состояние полимера не станет

многих случаях большая часть этой усадки проявляется в первые 24 ч после литья, а затем усадка проис­ ходит медленнее. При более высо­ ких температурах скорость вторич­ ной кристаллизации может повы­ шаться. Высокая температура фор­ мы приводит к меньшей вторичной усадке сополимера на основе форм­ альдегида, как показано на рис.

V. 23. Еще меньше усадка при повышенных температурах эксплуа­ тации у образцов, подвергнутых термообработке.

У гигроскопичных термопластов, таких, как полиамиды, погло­ щение влаги способствует вторичной кристаллизации, что соответ­ ственно влияет на размеры литьевых 'лзделий.

217

При вторичной кристаллизации может наблюдаться изменение плотности и механических свойств термопласта. Ниже показано из­ менение плотности и прочности на удар падающим грузом при ком­ натной температуре для полипропилена с высоким индексом рас­ плава в зависимости от времени с момента окончания цикла литья:

Заметное увеличение плотности и быстрое падение прочности на удар происходят непосредственно после литья под давлением. У по­ лиэтилена высокой плотности с низким индексом расплава проч­ ность на удар снижается только на 14% за тот же самый период времени24. Для того, чтобы изменения в изделиях после литья были минимальными, следует создавать такие условия перера­ ботки, при которых ориентация минимальна и которые позволяли бы избежать чрезмерного охлаждения термопласта при его кри­ сталлизации в форме; следует также добиваться получения в литьевых изделиях по возможности изотропных условий в отно­ шении ориентации и плотности.

Однако если при литье под давлением не удается реализовать названные условия или если-требуется максимальная стабильность размеров и высокая теплостойкость, то целесообразно осущест­ влять отжиг (тепловую обработку) литьевых изделий с целью сня­ тия внутренних напряжений, возникающих в полимере в процессе литья под давлением. При этом изделие нагревают до определен­ ной температуры, называемой температурой отжига, выдерживают некоторое время и затем медленно охлаждают до комнатной тем­ пературы. Эффект тепловой обработки заключается в увеличении плотности термопласта и повышении его теплостойкости. Кроме того, отжиг часто способствует повышению прочности на удар и предотвращает растрескивание изделий. Получаемый эффект зави­ сит от типа термопласта, условий отжига и условий литья под дав­ лением.

Жесткие аморфные термопласты, такие, как полистирол, поли­ метилметакрилат, поликарбонат и полисульфон чаще подвергаются отжигу для снижения внутренних напряжений, чем термопласты других типов.

Отжиг кристаллических полимеров наряду с уменьшением вну­ тренних напряжений может приводить также к изменению их кри­ сталлического состояния.

Для типичных аморфных полимеров, таких, как полистирол, тепловая обработка приводит к изменению плотности, что, в свою очередь, влияет на его механические свойства и теплостойкость.

213

Так, у полистирола после тепловой обработки 28 наблюдается уве­ личение предела прочности при растяжении на 5% и предела проч­ ности при статическом изгибе на 10%• Значительное влияние от­ жиг оказывает на теплостойкость аморфных полимеров29; так, у полистирола теплостойкость повышается с 77 до 95°С, у сополи­

предел текучести32, причем изменение предела текучести имеет та­ кой же характер, как и изменение плотности этого же полиэтилена при отжиге33. С повышением температуры отжига предел прочно­ сти при растяжении вначале изменяется мало, а затем заметно падает. Это сопровождается значительным уменьшением относи­ тельного удлинения при разрыве.

Таким образом, изменяя плотность полиэтилена, а следова­ тельно, и его степень кристалличности при тепловой обработке, можно от хорошо деформируемых и прочных образцов перейти к очень хрупким образцам, не способным к большим деформациям. Следовательно, подбирая соответствующие температуры отжига, можно получать из полиэтилена высокой плотности изделия с раз­ нообразными свойствами — от вязких и эластичных до жестких и хрупких. B G избежание хрупкости не следует применять высокие температуры при отжиге полиэтилена высокой плотности.

219