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

практического метода ее измерения21’22. Для определения пластикационной производительности22 применяли, например, специаль­ ную литьевую форму, с помощью которой получали диски различ­ ных толщины (1,2; 1,5; 2,0; 3,0 и 4,0 мм) и диаметра (от 92 до -218 мм). Для поршневой машины пластикационная производитель­ ность по полистиролу в зависимости от массы отливки имела ярко выраженный максимум, причем наибольшая производительность

получена при толщине отливки 1,5 — 2 мм (рис. 7, а). При испы- \ тании этой же формы на червячной машине была получена ли­ нейная зависимость пластикационной производительности по поли­ стиролу от массы отливки (рис. 7,6), причем возрастание тол­ щины изделия также приводит к снижению производительности за счет увеличения времени, требующегося на его охлаждение.

Рис. 7. Зависимость пластикационной производительности от массы отливки из полистирола для поршневой (а) и червячной (б) литье­ вой машин при различной толщине изделия.

/ —I мм; 2—2 мм; 3—3 мм; 4— 4 мм; 5— 5 мм.

Были предложены также другие методы определения пласти­ кационной производительности, без применения форм, например по скорости пластикации при выдавливании материала наружу23 при определенных температуре, скорости впрыска и размерах со­ пла. Для испытаний используется полистирол, полиэтилен высокой плотности и полиамид 6,6. Однако эти методы испытания не дают возможности определить абсолютную пластикационную произво­ дительность, а скорее позволяют сравнивать по производительно­ сти одну литьевую машину с другой при определенных условиях.

Усилие запирания формы зависит от конструкции прессовой части литьевой машины. Между усилием запирания и другими параметрами литьевой машины, например объемом впрыска, пло­ щадью плит под формы и ходом подвижной плиты, имеются опре­ деленные соотношения. Усилие запирания определяет максимальную площадь литья (площадью литья называют проекцию поверхности детали на плоскость, перпендикулярную оси машины).

Большинство литьевых машин имеет одинаковое соотношение между усилием запирания и объемом впрыска. Однако это соот­

20

ношение зависит от типа инжекционного устройства. Так, литьевые машины с предварительной пластикацией обычно характери­ зуются большим (по сравнению с машинами без предваритель­ ной пластикации) объемом впрыска при данном усилии запира­ ния 24.

Площадь литья, при которой не происходит размыкание формы, зависит от технологических параметров литья (давления литья, температуры расплава и формы, скорости впрыска и продолжи­ тельности цикла) и конструкции литьевой формы.

На максимальную площадь литья большое влияние оказывает также конфигурация изготавливаемого изделия. Так, для мелкой чашки (с литником в центре дна) длина течения ог литника до конца полости формы мала, а для более глубокой чашки длина течения больше и требуется большее давление для заполнения формы. Это означает, что, несмотря на одинаковую площадь литья, во втором случае требуется более высокое усилие запи­ рания.

Размеры плит литьевой машины определяют высоту и ширину литьевой формы. Необходимо, чтобы наибольший размер формы, устанавливаемой на данной машине, не превышал размеров плит, а наименьший размер формы не превышал расстояния между ко­ лоннами. Наименьшая толщина литьевой формы зависят от рас­ стояния между подвижной и стационарной плитами в положении, соответствующем закрытию литьевой формы.

Ход подвижной плиты является важным параметром прессо­ вой части литьевой машины, поскольку эта величина определяет максимальную длину изделия в направлении, параллельном оси машины. Фактическая максимальная длина изделия, которая мо­ жет быть получена при данном ходе подвижной плиты, зависит от конструкции литьевой формы, конусности изделия и эластичности термопласта.

Так, при получении изделий в форме конуса длина их может быть больше расстояния между оформляющими частями литье­ вой формы, поскольку можно наклонить изделие при выемке. Де­ тали из эластичного термопласта также могут иметь большую длину. При извлечении из формы детали из такого термопласта возможно временное искривление детали при прохождении ее между концом пуансона и плоскостью матрицы.

Термопласты для литья под давлением

Термопласты обладают способностью размягчаться при нагре­ вании и течь под воздействием внешних сил; при охлаждении они переходят в твердое состояние без существенного изменения пер­ воначальных свойств. Эта способность сохраняется у них при по­ вторном нагревании и может быть использована неоднократно при повторной переработке термопластов в изделия.

Наибольшее применение для литья под давлением имеют по­ листирол и его сополимеры: ударопрочный полистирол, сополимер

21

стирола с акрилонитрилом и сополимер стирола с акрилонитрилом и бутадиеном. Так, в 1967 г. мировое производство термопластов на основе полистирола и его сополимеров составило 2,2—2,5 млн. т, причем 80% этих материалов было переработано литьем под дав­ лением 25.

Широко применяются для переработки литьем под давлением полиолефины — полиэтилен низкой и высокой плотности и поли­ пропилен. Литьем под давлением перерабатывается 50% всего вы­ пускаемого полипропилена, 30—35% полиэтилена высокой плот­ ности и 10—15% полиэтилена низкой плотности. Большую часть материалов, перерабатываемых литьем под давлением, состав­ ляют полиамиды: полиамид 6; полиамид 6,6; полиамид 6,10, поли­ амид 11 и полиамид 12, применяющиеся в основном для изго­ товления технических деталей. Около 70% всех полиамидов перерабатывается методом литья под давлением26. Литьем под давлением перерабатывают также поливинилхлорид, полиметилмет­ акрилат, пластмассы на основе эфиров целлюлозы, поликарбонат

.и ряд других термопластов.

В настоящее время литье под давлением является основным ■методом переработки термопластов, и это положение, видимо, со­ хранится в будущем; об этом свидетельствуют приведенные ниже данные о росте выпуска термопластов ( в тыс. т), перерабатывае­ мых литьем под давлением в США1:

В последнее время появились новые термопластичные мате­ риалы, обладающие высокой термостойкостью и перерабатывае­ мые при высоких температурах, — полисульфон, полиарилсульфон и полифениленоксид 2729.

Свойства изделий, изготавливаемых из термопластов методом литья под давлением, в значительной степени зависят от условий переработки.

К основным свойствам термопластов относятся: свойства, опре­ деляемые химической природой полимера, например температура плавления и стеклования, температура разложения, температура кристаллизации; реологические свойства, связанные с деформа­ цией материала в различных состояниях; свойства, связанные с химической стабильностью, т. е. стойкость к воздействию света, тепла, различных сред и т. п; физические свойства, например

22

электрические или теплофизические. Технологические свойства в зна­ чительной степени определяются химической природой полимера, реологическим поведением и химической стабильностью при пе­ реработке.

Свойства литьевых изделий определяются изменением свойств термопласта в зависимости от условий переработки, формой и раз­ мерами изделия, а также внешними эксплуатационными воздей­ ствиями.

Важной операцией является загрузка термопласта в виде гра­ нул в нагревательный цилиндр литьевой машины. Движение гра­ нулированного материала связано с такими факторами, как на­ сыпная плотность материала, силы аутогезии между гранулами, термопласта и силы адгезии частиц материала к металлу.

При загрузке желательно, чтобы термопласт имел высокую насыпную плотность, которая зависит от формы и размеров гра­ нул и однородности гранул по форме и размерам. Высокая на­ сыпная плотность достигается при минимальной поверхности гра­ нул, которой обладают шарообразные частицы (при одинаковой массе гранул). Насыпная плотность гранулированного материала мало зависит от размера частиц при размерах выше определен­ ного предела. Однако если отношение объема частицы к ее поверхности ниже некоторого значения, то образующееся статиче­ ское электричество сильно влияет на насыпную плотность и сы­ пучесть гранул. Широкое распределение частиц по размерам мо­ жет увеличивать насыпную плотность и плотность упаковки, но при этом может произойти агрегация частиц30.

Малые силы аутогезии и гладкая поверхность частиц благо­ приятствуют их движению. Образование статического электриче­ ства на поверхности гранул, увеличение отношения поверхности к объему и широты распределения частиц по размерам, адгезия гранул к поверхности металла нежелательны' и приводят к агре­ гации частиц. Наибольшее из перечисленных факторов влияние на поведение материала при загрузке оказывает статическое элек­ тричество, возникающее от трения гранул при их движении. Ниже приведены некоторые свойства гранул, важные для определения

*При насыпании гранул на горизонтальную плоскость.

**По.наклонной иодированной плоскости металла.

23

Размеры и форма гранул влияют на уплотнение материала в цилиндре и количество захватываемого воздуха. Если размеры гранул велики, то количество захватываемого воздуха может быть настолько значительным, что его будет трудно удалить из ци­ линдра литьевой машины. Это может привести к появлению в из­ делии серебристых полос (у полистирола) и пузырьков (у по­ лиэтилена). Гранулы слишком малого размера очень быстро расплавляются. При этом воздух также остается в расплаве и, сле­ довательно, в изделиях.

Гранулы разных размеров и формы не обеспечивают постоян­ ную температуру расплава на выходе из сопла. При одинаковых гранулах температура расплава в разных циклах более по­ стоянна 3|.

Некоторые термопласты, например полиамиды, обладают повы­ шенной гигроскопичностью и адсорбируют из воздуха влагу. Иногда влага конденсируется на поверхности гранул, когда они попадают из холодного помещения в более теплое. При перера­ ботке влажных или недостаточно высушенных материалов в из­ делиях появляются различные дефекты, например мелкие пу­ зырьки или серебристые полосы, а наличие влаги в поликарбо­ нате или полиэтилентерефталате приводит к их деструкции и понижению молекулярного веса. Поэтому многие термопласты перед переработкой подвергаются сушке. Условия сушки и литья тер­ мопластов приведены в таблице.

Условия переработки термопластов литьем под давлением

24

Продолжение

25

Г л а в а I

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОПЛАСТОВ

Литье под давлением осуществляется в несколько стадий, от­ личающихся по своей технологии: нагревание полимера; подача расплава полимера в форму; формование изделия; фиксация определенной конфигурации изделия путем охлаждения поли­ мера и, наконец, удаление изделия из формы. На каждой из этих стадий происходит изменение температуры полимера, а также внутренних и внешних усилий, действующих на него; каждая ста­ дия характеризуется определенной продолжительностью воздей­ ствия этих факторов.

В связи с изменением условий переработки и, следовательно,, состояния полимера при литье под давлением трудно выбрать критерий для оценки технологических свойств термопластов; на разных стадиях процесса литья под давлением проявляются раз­ личные технологические свойства термопласта.

Так, на стадии нагревания полимера важную роль играют его теплофизические свойства, такие, как температуры плавления и разложения, теплоемкость и теплопроводность. На стадии подачи полимера в форму большое значение имеют реологические свой­ ства расплавов полимеров, например изменение вязкости в зави­ симости от скорости сдвига и температуры, ориентация полимера при течении. При формовании изделия важную роль играет изме­ нение объема расплава с температурой, а также сжимаемость расплава термопласта. Во время охлаждения расплава полимера большое значение имеют теплофизические свойства, а также про­ цессы релаксации ориентационных напряжений и кристаллиза­ ции, поскольку они определяют структуру получаемого изделия и, следовательно, его свойства.

Таким образом, технологические свойства термопласта, влияю­ щие на его поведение при литье под давлением, определяются комплексом его реологических, теплофизических и физико-меха­ нических свойств. Рассмотрим важнейшие технологические свой­ ства термопластов и их роль в процессе переработки методом литья под давлением.

Физические состояния термопластов

Термопласты могут находиться в трех физических состояниях: твердом (кристаллическом или стеклообразном), высокоэластическом и вязкотекучем *. Способность термопластов переходить в

27

вязкотекучее состояние позволяет перерабатывать их литьем под давлением и другими методами. Для правильного выбора усло­ вий переработки важно знать особенности поведения термопластов во всех физических состояниях и закономерности их переходов из одного физического состояния в другое.

Особую роль в процессе переработки термопластов играют условия возникновения и развития деформаций, поскольку основ­ ной целью процессов переработки является придание термопласту определенной формы, а это, естественно, связано с деформацией

мации, устанавливающиеся и исчезающие при снятии нагрузки практически мгновенно и мало зависящие от температуры. В этой области , деформаций происходит изменение валентных углов и межатомных расстояний 3.

В стеклообразном состоянии термопласты обычно не перера­ батываются, но эта область важна при обработке термопластов механическим путем, а также на последней стадии литья под дав­ лением— при удалении литьевых изделий из формы. Большое значение имеют механические свойства термопласта при темпера­ турах формы, в частности его жесткость, поскольку при недоста­ точной жесткости неизбежны деформация и искривление изде­ лия. Жесткость можно оценивать модулем упругости или сдвига, она является важной технологической характеристикой термо­ пласта.

В области высокоэластического состояния развиваются обра­ тимые высокоэластические деформации, возрастающие с течением времени до некоторого предела — полной высокоэластической де­ формации, причем время, в течение которого устанавливается этот предел, зависит от температуры.

28

Развитие высокоэластической деформации во времени (в от­ личие от обычной упругой деформации) обусловлено наличием ре­ лаксационных процессов. Высокоэластическая деформация свя­ зана с деформацией самих макромолекул, которая определяется перемещением отдельных участков. Поэтому температура пере­ хода из стеклообразного состояния в высокоэластическое не зави­ сит от молекулярного веса, так как размер этого участка не связан непосредственно с длиной цепи *.

При деформации полимера проявляются силы межмолекулярного взаимодействия (между звеньями соседних молекул) и вну­ тримолекулярного взаимодействия, препятствующие изменению формы молекул (между соседними атомами и группами атомов в самой молекуле). Наличие в полимерах внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействия приводит к зависимости вы­ сокоэластической деформации от времени и релаксационным яв­ лениям. В целом температурная и частотная зависимости высо­ коэластической деформации определяются соотношением между временем релаксации, временем приложения силы и температурой полимера.

При низких температурах, ниже Гс, также возникают высоко­ эластические деформации под действием достаточно больших на­ пряжений, которые приводят к изменению формы макромолекул и большим деформациям. Такие деформации, проявляющиеся только тогда, когда под действием внешней силы возникают на­ пряжения выше некоторого «предела вынужденной эластичности», обратимы и исчезают после нагревания разгруженного образца выше Тс.

Это явление, названное «вынужденной эластичностью», было обнаружено А. П. Александровым4 и в дальнейшем подробно изучено Ю. С. Лазурхиным5. Была показана связь релаксационных характеристик полимера с напряжением: с ростом напряжений скорость релаксационных процессов в полимере возрастает и уско­ ряется приближение к равновесному состоянию.

При деформации термопласта в высокоэластическом состоянии за счет изменения формы цепных молекул происходит их ориен­ тация, при этом энтропия значительно уменьшается. Высокоэла­ стическая деформация после снятия напряжения со временем ис­ чезает, но если деформированный термопласт охладить, то про­ изойдет как бы «замораживание» молекулярной ориентации. Пол­ ное исчезновение этой «замороженной» молекулярной ориентации возможно при повышении температуры, когда создаются условия для протекания процессов релаксации.'

Область высокоэластического состояния является очень важ­ ной для переработки термопластов в связи с возможностью полу­ чения весьма больших деформаций при небольших напряжениях. Это позволяет использовать простые методы переработки, при которых развиваются небольшие усилия, например вакуумное фор­ мование лцстов, раздувание цилиндрических заготовок при

29