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

22.G 1 о о r W. E„ SPE Trans., 3, № 4, 270 (1963).

23.Kunststoffe, 56, № 1 , 31 (1966).

25 (1963).

52.В a g 1 e у E. B., Trans. Soc. Rheology, 5, 203 (1961).

70

Глава II

ПРОЦЕССЫ ПЛАСТИКАЦИИ И ТЕЧЕНИЯ ТЕРМОПЛАСТОВ В ЛИТЬЕВОЙ м а ш и н е

Нагревание термопласта до температуры литья является хотя и предварительной, но очень важной операцией при литье под давлением. Для успешного осуществления процесса литья необхо­ димо, кроме нагревания обеспечить хорошую пластикацию мате­ риала. Нагревание и пластикация материала обычно осуществля­ ются в нагревательных цилиндрах литьевых машин.

Под пластикацией термопластичного материала понимают его размягчение за счет нагревания до перехода в вязкотекучее со­ стояние, а также его уплотнение и гомогенизацию. Под гомогени­ зацией понимают перемешивание, приводящее к равномерному рас­ пределению температур в массе, которому соответствуют равно­ мерная плотность и вязкость расплава термопласта. Прежде всего на стадии пластикации должна быть обеспечена требуемая тем­ пература расплава, максимальная однородность температуры по объему материала и минимальная деструкция термопласта. Про­ цесс пластикации может быть осуществлен различными путями, отличающимися способами подвода тепла к термопласту, уплотне­ ния и гомогенизаций.

Имеются три способа проведения процесса пластикации:

1. Передача тепла осуществляется от внешних источников за счет теплопроводности материала. Уплотнение и гомогенизация происходят во время рабочего хода поршня при сжатии размяг­ ченного материала.

2. Часть тепла подводится от внешних источников за счет теп­

Уплотнение происходит при сжатии, а гомогенизация — за счет эффекта смешения.

3. Тепло создается в основном за счет превращения в тепло механической работы, затрачиваемой при сдвиге. Уплотнение осу­ ществляется путем сжатия массы, а гомогенизация — за счет эф­ фекта смешения.

Первый способ применяется на поршневых машинах, а два дру­ гих— на экструдерах и литьевых машинах с червячным пластикатором. При пластикации в нагревательном цилиндре поршневого типа материал перемешивается незначительно, и поэтому имеются

72

большие температурные градиенты как в поперечном сечении по­ тока, так и по его длине. При пластикации в червячных цилиндрах удается выравнять температуру по сечению потока, однако неко­ торая неоднородность по длине потока все же сохраняется.

При течении через узкое отверстие сопла литьевой машины рас­ плав термопласта подвергается значительным усилиям сдвига, что приводит к повышению температуры расплава, а следовательно, и к дополнительной пластикации термопласта в процессе впрыски­ вания.

Процессы пластикации термопластов в литьевой машине поршневого типа

Основной функцией цилиндра литьевой машины является на­ грев термопласта до температур, при которых может происходить заполнение формы за счет давления, создаваемого поршнем. Тем­ пература и давление расплава, создаваемые на выходе из сопла на­ гревательного цилиндра, являются очень важными характеристи­ ками литьевой машины.

Осуществление равномерного нагрева термопластов — доста­ точно сложная задача вследствие их низкой теплопроводности.

Рис. II. 1. Профили температур полистирола в цилиндре диаметром 30 мм с температурой стенки 200 °С (V—объем отливки):

1 - 190° С; 2 - 180; 3 - 160; 4 - 120; 5-80° С.

Для примера рассмотрим характер распределения температур в наиболее простом нагревательном цилиндре. Как видно из рис. II. 1, где представлен профиль температур полистирола в зави­ симости от передвижения объема отливки (без учета теплообмена вдоль оси цилиндра) ’, наиболее близкий к соплу объем отливки не имеет равномерной температуры: в то время как температура у стенок составляет около 200°С, в середине объема она дости­ гает только 185°С. Разумеется, характер распределения темпера­ тур будет иным для другого полимера (с другими теплофизиче­ скими свойствами).

К конструкции нагревательного цилиндра предъявляются слож­ ные требования. Во-первых, полимер должен нагреваться в нем до однородной температуры за максимально короткий промежуток времени при определенной пластикационной производительности. Во-вторых, он должен создавать минимальные потери давления при движении полимера во время заполнения формы. Кроме того, путь течения полимера через цилиндр должен быть без «мертвых»

73

зон, где материал может застаиваться и подвергаться деструкции. И, в-третьих, конструкция нагревательного цилиндра должна обес­ печивать прочность, герметичность и легкость разборки для очи­ стки и ремонта цилиндра.

К сожалению, первые два требования являются противоречи­ выми. Чтобы от нагревательного цилиндра к полимеру эффектив­ но передавалось тепло, внутренние каналы цилиндра должны быть очень малы для достижения минимального поперечного градиента температуры, а цилиндр должен быть как можно длиннее для обеспечения большей поверхности теплопередачи. С другой сто­ роны, для эффективной передачи давления от поршня к соплу внутренние каналы должны быть по возможности шире, а их длина должна быть минимальной. Попытки найти компромиссное реше­ ние2 привели к созданию нагревательного цилиндра с торпедой.

Такая конструкция нагревательного цилиндра, представленная на рис II. 2, является наиболее распространенной в настоящее время. В цилиндр, на поверхности которого расположены элект­ рические обогревательные элементы, вставлен сердечник обтекае­ мой формы, называемый торпедой. Эта торпеда образует кольце­ вой зазор с постепенно уменьшающейся толщиной для улучшения прогрева полимера. В передней части торпеды находится распре­ делитель, представляющий собой кольцо с рядом мелких отвер­ стий. Он улучшает условия передачи тепла полимеру. Расплав, проходящий через отверстия, попадает далее в камеру смешения, где температура полимера выравнивается, а затем поступает в сопло и далее в форму.

74

Коэффициент нагревания

Термопласт с исходной температурой То поступает в нагрева­ тельный цилиндр с температурой стенок Тх. До этой температуры материал нагревается, если будет находиться в цилиндре неопре­ деленно долгое время. Однако полимер находится в цилиндре ко­ роткое время и не достигает температуры Тх; его средняя темпе­ ратура Т2 будет определяться температурой стенки и продолжи­ тельность контакта с ней материала.

/ —0,78; 2—0,80; 3— 0,82; <(—0,84; 5— 0,88.

Максимальное количество тепла, которое может теоретически поглотить полимер, пропорционально разности температур Тх— Т0, а количество тепла, действительно поглощенное полимером, пропорционально разности Т2— Го. Отношение количества тепла, поглощенного полимером, к теоретически (или максимально) воз­ можному называется коэффициентом нагревания3:

Коэффициент нагревания не тольксг характеризует среднюю температуру расплава, выходящего из сопла, но и указывает на температурную неоднородность расплава. Температура Т2 распла­ ва, выходящего из сопла, не является постоянной, а изменяется от минимальной температуры Тм до максимальной, равной темпера­ туре стенки Т\. Поэтому разность Тх— Тш соответствует величине неоднородности распределения температур в расплаве. Чем меньше колебания температуры в расплаве, тем выше должно быть значе­ ние коэффициента нагревания. А это соответствует большему времени пребывания полимера в цилиндре, т. е. меньшей пластикационной производительности. Действительно, с увеличением произ­ водительности литьевой машины коэффициент нагревания поли­ мера уменьшается (рис. II. 3),

75

Если литьевая машина работает с минимальным временем пре­ бывания полимера в цилиндре, то коэффициент нагревания поли­ мера меньше, а температурные колебания в полимере больше. На рис. II. 4 показана зависимость средней температуры расплава от продолжительности нагрева при разных коэффициентах нагре­ вания 4. Из рисунка видно, что колебания температуры уменьшают­ ся с увеличением коэффициента нагревания, т. е. при снижении пластикационной производительности нагревательного цилиндра.

Пластикационная производительность нагревательного цилиндра

Максимальная производительность литьевой машины зависит от пластикационной производительности нагревательного цилинд­ ра и продолжительности цикла литья, на которую влияют геомет­ рические размеры изделия и конструкция формы. Поэтому макси­

где G1 — масса всего материала в нагревательном цилиндре; тц — продолжи­

тельность одного цикла; Gо — масса отливки.

Пластикационную производительность нагревательного цилинд­ ра можно выразить следующим образом:

3,6 ■Go

(II. 3)

Тц

Пластикационная производительность нагревательного цилинд­ ра (в кг/ч) с учетом теплофизических свойств полимера, геометри­

76

ческих размеров цилиндра и системы обогрева 5 равна

Термопласты с большей теплопроводностью и меньшей тепло­ емкостью при прочих равных условиях обеспечивают большую про­ изводительность, как это следует из уравнения (II. 4) и рис. II. 5, на котором представлена зависимость пластикационной произво­ дительности от температуры нагревательного цилиндра для разных термопластовб.

Движение термопластов в нагревательном цилиндре

На температуру термопласта и передачу давления в форму су­ щественно влияет характер движения термопласта в нагреватель­ ном цилиндре. Термопласт попадает в цилиндр при комнатной температуре в виде гранул, которые по мере продвижения разогре­ ваются и плавятся. Таким образом, в нагревательном цилиндре существуют две принципиально различные области: область дви­ жения гранул (в задней части цилиндра) и область вязкого тече­ ния расплава полимера (в передней части цилиндра).

При движении по нагревательному цилиндру материал испыты­ вает сопротивление, что приводит к снижению давления, передава­ емого поршнем в форму. Большая часть потерь давления в цилиндре (до 80%) приходится на зону спрессованных гранул термопла­ ста. Потери давления зависят от конструкции цилиндра, темпера­ турного режима и свойств термопласта, коэффициента трения гра­ нул о стенки цилиндра и поверхности их соприкосновения с ци­

Коэффициент у служит мерой фрикционного сопротивления термопласта на участке движения гранул. Из соотношения (II. 6)

77

видно, что потери давления на участке движения гранул прямо пропорциональны давлению на литьевом поршне.

Общее падение давления в нагревательном цилиндре равно сумме падений давления в зоне движения гранул и в зоне тече­ ния расплава термопласта:

наклона которой равен у. а отрезок Арт, отсекаемый на оси орди­ нат, соответствует потере движения в зоне расплава термопласта (рис. II. 6).

В зоне гранул потери давления зависят от количества смазки, размера и формы гранул, а в зоне расплава потери давления опре­ деляются вязкостью расплава и ее зависимостью от скорости сдвига.

Потери давления в цилиндре могут быть снижены за счет по­ вышения температуры его загрузочной части. Однако это не все­ гда возможно, поскольку возникает опасность попадания мате­ риала в зазор между цилиндром и поршнем, а также возможность попадания воздуха между гранулами вследствие их быстрого на­ гревания и расплавления. Потери давления в цилиндре можно так­ же уменьшить путем предварительного уплотнения гранул во время хода поршня, предшествующего основному.

Потери давления зависят от объема впрыска или длины зоны гранул, характеризуемой ходом литьевого поршня, как это видно из рис. II. 7. По мере увеличения объема впрыска коэффициент у растет до некоторого предельного значения, которое указывает на

78

то, что у стенок цилиндра образуется достаточное количество рас­ плава, играющего роль жидкой смазки. Таким образом, величина у до некоторой степени зависит также и от температуры плавле­ ния термопласта. Чем ниже температура плавления, тем короче образующаяся в цилиндре «пробка» гранул.

Давление, передаваемое в форму, зависит и от продолжитель­ ности цикла литья. При увеличении продолжительности цикла по­ тери давления уменьшаются, поскольку вследствие длительного пребывания термопласта в цилиндре повышается его температура, уменьшается длина «пробки» гранул и снижаются потери давления.

Потери давления на трение могут быть уменьшены за счет по­ крытия гранул смазкой8. В качестве смазок применяют парафины, стеараты металлов и другие вещества, температура плавления ко­ торых превышает температуру размягчения термопласта. Так, для полистирола хорошими смазками являются стеараты цинка и кальция при концентрации их 0,01 ч- 0,02%. Добавление смазки в таких количествах не оказывает влияния на свойства полисти­ рола, зато во многих случаях позволяет сократить цикл литья за счет лучшей передачи давления. Кроме того, применение смазки исключает образование пленки между поршнем и втулкой, про­ исходящее обычно в результате проникновения туда частиц гранул под большим давлением и также вызывающее потери давления. Отпадает необходимость периодической очистки материального ци­ линдра, а поршень и втулка — наиболее быстро изнашивающиеся части инжекционного цилиндра — могут служить дольше, чем при переработке полистирола без смазок.

Процессы пластикации термопластов в литьевой машине червячного типа

Процесс пластикации термопласта при помощи червяка прин­ ципиально отличается от процесса пластикации в нагревательных цилиндрах поршневого типа. Применение червяка позволяет эф­ фективно нагревать и транспортировать термопластичные мате­ риалы; червяки широко используются в литьевых машинах и эк­ струдерах ^ 11.

При вращении червяка материал, находящийся в канале чер­ вяка, перемешивается, что способствует более равномерному его нагреву от стенок цилиндра. В добавление к теплу, которое пе­ редается материалу от стенок цилиндра, значительное количество тепла может быть получено за счет превращения механической энергии в тепло. Эта механическая энергия возникает в каналах червяка в результате преодоления сопротивления термопласта де­ формации. Такой метод нагрева является наилучшим, особенно он желателен для термически малостабильных полимеров. При на­ гревании за счет теплопроводности важную роль играет температу­ ропроводность полимера, величина которой не ймеет большого значения при нагревании за счет внутреннего трения.

79