Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы реологии полимеров и технологические методы переработки полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
Рис. 2.3. Схематическое изображение пресс-формы, используемой
в процессе прямого формования:
1 – полость формы, наполненная термореактивным материалом;
2 – направляющие шипы; 3 – заусенец; 4 – сформованное изделие
Экструзия.
Экструзия является одним из самых дешевых методов производства широко распространенных изделий из пластмасс,
таких как пленки, волокна, трубы, листы, стержни, шланги и ремни,
причем профиль этих изделий задается формой выходного отверстия
головки экструдера. Расплавленный пластик при определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки экструдера, что
и придает желаемый профиль экструдат
у. Схема простейшей экстру-
зионной машины показана на рис. 2.4.
В этой машине порошок или гранулы компаундированного полимерного материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим
обогревом для размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся
шнек обеспечивает движение горячей пластической массы по цилиндру.
Рис. 2.4. Схематическое изображение простейшей
экструзионной машины:
1 – загрузочная воронка; 2 – шнек; 3 – основной цилиндр; 4 – нагревательные
элементы; 5 – выходное отверстие головки экструдера; а – зона загрузки;
б – зона сжатия; в – зона гомогенизации
61
Поскольку при движении полимерной массы между вращающимся
шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к выделению
теплоты и, следовательно, к повышению температуры перерабатываемого полимера. В процессе движения от бункера к выходному отверстию головки экструдера пластическая масса переходит три четко разделенные зоны: зону загрузки (
в) (см. рис. 2.4).
ции (
а), зону сжатия (б) и зону гомогениза-
Каждая из этих зон вносит свой вклад в процесс экструзии. Зона
загрузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в зону сжатия, эта операция проходит без нагревания.
В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление
порошкообразной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем
пастообразный расплавленный пластический материал поступает
в зону гомо
генизации, где и приобретает постоянную скорость тече-
ния, обусловленную винтовой нарезкой шнека.
Под действием давления, создаваемого в этой части экструдера,
расплав полимера подается к выходному отверстию в головке экструдера и выходит из него с желаемым профилем. Из-за высокой вязкости
некоторых полимеров иногда требуется наличие еще одно
й зоны,
называемой рабочей, где полимер подвергается воздействию высоких
сдвиговых нагрузок для повышения эффективности смешения.
Экструдированный материал требуемого профиля выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура составляет от 125
до 350 °С), и для сохранения формы требуется его быстрое охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через
ванну с холо
дной водой, и затвердевает. Для охлаждения экструдата
также применяют обдувку холодным воздухом и орошение холодной
водой. Сформованный продукт в дальнейшем или разрезается, или
сматывается в катушки.
Процесс экструзии используют также для покрытия проволок и
кабелей поливинилхлоридом или каучуком, а стержнеобразных металлических прутьев – подходящими термопластичными материалами.
Вспенивание. Вспенивание является простым методом получе-
ния пено- и губкообразных материалов. Особые свойства этого класса
материалов – амортизирующая способность, легкий вес, низкая теплопроводность – делают их весьма привлекательными для использования
в различных целях. Обычными вспенивающимися полимерами являются полиуретаны, полистирол, полиэтилен, полипропилен, силиконы,
эпоксиды, ПВХ и пр. Вспененная структура состоит из изолированных
(закрытых) ил
и взаимопроникающих (открытых) пустот. В первом
случае, когда пустоты закрыты, они могут заключать в себе газы.
Оба типа структур схематически представлены на рис. 2.5.
62
Рис. 2.5. Схематическое изображение ячеистых структур открытого и
закрытого типов, образующихся в процессе вспенивания:
1 – дискретные (закрытые) ячейки;
2 – взаимопроникающие (открытые) ячейки; 3 – стенки ячеек
Существует несколько методов для производства вспененных или
ячеистых пластиков.
Пенопласты получают в гибкой, жесткой и полужесткой формах.
Для того чтобы получить изделия из пенопласта напрямую, вспенивание следует проводить непосредственно внутри пресс-формы.
Пенопластовые листы и стержни также могут быть использованы для
производства различных изделий. В зависимости от природы полимера
и степени вспенивания пло
от 20 до 1000 кг/см
3
. Использование пенопластов весьма многообраз-
тность пенопластов может составлять
но. Например, автомобильная промышленность использует большие
количества пенопластов из ПВХ и полиуретана для обивки. Большую
роль эти материалы играют и при изготовлении мебели. Жесткие
полистирольные пенопласты широко используются для упаковки и
теплоизоляции зданий, пенорезины и пенополиуретаны – для набивки
матрасов и пр., жесткие пенополиуретаны – для теплоизоляции зданий
товления протезов.
и изго
Армирование. При армировании пластической матрицы высоко-
прочным волокном получают системы, называемые «армированные
волокном пластики» (АВП). АВП обладают весьма ценными свойствами: их отличают высокое отношение прочности к массе изделия,
значительная коррозионная стойкость и простота изготовления. Методом армирования волокнами удается получать широкий круг изделий.
Например, конструкторов – создателей космических кораблей и искусственных спутнико
в в АВП прежде всего привлекает поразительно
высокое отношение прочности к массе. Красивый внешний вид,
небольшая масса и коррозионная стойкость позволяют использовать
АВП для обшивки морских судов. Кроме того, АВП используют даже
в качестве материала для танков, в которых хранят кислоты.
63
Литье под давлением. Литье под давлением – метод формования
изделий из полимерных материалов, заключающийся в нагревании
материала до вязкотекучего состояния и передавливании его в закрытую литьевую форму, где материал приобретает конфигурацию внутренней полости формы и затвердевает. Этим методом получают изделия массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенок 1…20 мм (ча
ще 3…6 мм). Для осуществления литья под
давлением применяют плунжерные или шнековые литьевые машины
(рис. 2.6), на которых устанавливаются литьевые формы различной
конструкции (рис. 2.7).
Основными технологическими параметрами процессов литья под
Т
давлением являются температура расплава
Р
давление литья
t
нием
, время охлаждения t
ВПД
, давление в форме РФ, время выдержки под давле-
Л
или время отверждения в форме t
ОХЛ
, температура формы ТФ,
Р
ОТВ
для термореактивных материалов. Литьем под давлением перерабатываются как термопластичные, так и термореактивные материалы, но
при этом тип материала определяет специфику физико-химических
процессов, сопровождающих нагревание и перевод в твердое состояние этих видов пластмасс.
а)
б)
1 – гидроцилиндр механизма смыкания; 2 – поршень гидроцилиндра механизма
механизма впрыска; 12 – поршень гидроцилиндра впрыска; 13 – гидроцилиндр
64
Рис. 2.6. Схема литьевой машины со шнековой (а) и плунжерной (б)
пластикацией расплава:
смыкания; 3 – подвижная плита; 4 – полуформы; 5 – неподвижная плита;
6 – пластикационный цилиндр; 7 – шнек; 8 – загрузочное окно цилиндра
пластикации; 9 – бункер; 10 – привод шнека; 11 – корпус гидроцилиндра
шнека; 14 – торпеда – рассекатель потока расплава; 15 – плунжер
Рис. 2.7. Литьевая форма:
1 – подвижная полуформа; 2 – толкатель; 3 – выталкивающая плита;
4 – выталкиватели; 5 – каналы системы термостатирования формы;
6 – литниковая втулка; 7 – центральный литник; 8 – центрирующая втулка;
9 – центрирующая колонка; 10 – неподвижная полуформа;
11 – сопло литьевой машины; 12 – разводящий литник;
13 – впускной литник; 14 – формообразующая полость
Технологическая схема процесса приведена на рис. 2.8. Анализ
процесса литья под давлением может быть проведен по следующим
составляющим:
перевод материала в вязкопластичное состояние;
−
−
подача его в зону дозирования;
−
накопление расплава;
−
течение расплава в системе «сопло–форма»;
−
течение расплава в каналах формы и формующей полости;
−
формирование структуры изделия.
Литье под давлением термопластов осуществляется или в режиме
интрузии, или в инжекционном режиме. При интрузионном режиме
расплав постепенно подается в форму вращающимся шнеком до заполнения ее на 70…80%, а затем оставшаяся часть дозы впрыскивается
в форму за счет поступательного движения шнека.
65
Рис. 2.8. Технологическая схема литья под давлением:
1 – вагон (полувагон, цистерна); 2 – подвесная кран-балка;
3 – склад материала; 4 – вакуумная сушилка; 5 – литьевая машина;
6 – транспортер; 7 – станок механической обработки; 8 – стол упаковки;
9 – дробилка; 10 – экструдер; 11 – охлаждающая ванна; 12 – гранулятор
При инжекционном режиме вращение шнека ведется только в период набора дозы материала и его пластикации в инжекционном цилиндре литьевой машины, а подача расплава в форму осуществляется
только за счет поступательного движения шнека Режим интрузии используется при изготовлении крупногабаритных толстостенных изделий, а инжекционный процесс получил более широкое распространение. Для литья по
д давлением используются в основном гранулированные термопласты (реже – порошкообразные) с показателем текучести расплава от 2 до 30 г/10 мин. Перед литьем под давлением необходимо удалить из материала избыток влаги и летучих веществ, так как
их присутствие в расплаве приводит к образованию пор в готовом
изделии и трещин на его по
верхности. При переработке полимеров,
имеющих склонности к гидролитической деструкции (полиамиды,
полиэфиры), даже следы влаги приводят к снижению молекулярной
массы, а следовательно, и эксплуатационных показателей изделий.
Основные стадии процесса. Процесс литья под давлением явля-
ется циклическим. Цикл состоит из следующих стадий:
−
загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины
и подготовка расплава (пластикация);
−
смыкание формы;
66
− заполнение формы расплавом, выдержка под давлением
в форме, выдержка без давления в форме;
−
раскрытие формы и извлечение изделия.
Загрузка сырья проводится через загрузочный бункер и окно
в цилиндре литьевой машины (рис. 2.6). В пластикационном цилиндре
проводятся нагрев материала до перехода в вязкотекучее состояние,
уплотнение и гомогенизация расплава. Под гомогенизацией понимается перемешивание, приводящее к равномерному распределению температуры по массе, что обеспечивает равномерную плотность и вя
зкость расплава. Условия пластикации не должны приводить к заметной деструкции материала.
Необходимая температура расплава создается за счет двух источников тепла внешнего обогрева цилиндра и перехода в тепло работы
сил трения, возникающих при деформировании материала вращающимся шнеком. Температура расплава должна обеспечивать необходимую вязкость для заполнения формы, но пр
и этом не должна протекать деструкция материала. Обычно вязкость расплава, необходимая
для литья под давлением, достигается у аморфных полимеров при
температуре на 100…150 °С выше температуры стеклования, а у кристаллических полимеров, как правило, при температурах, на несколько
градусов превышающих температуру плавления. Максимально возможной является температура расплава на 30…40 °С ни
же, чем температура деструкции. Чем выше вязкость расплава материала, тем больше разница между температурой деструкции и предельной температурой расплава, так как процесс пластикации вызывает дополнительный
прогрев.
Примерные данные о температурных интервалах литья под давлением термопластов приведены в табл. 2.1. Разница между температурой нагревателей по зонам пластикационного цилиндра (обыч
но
термостабильность расплава ПК и СФД) составляет 10…20 °С увеличиваясь от зоны загрузки к соплу. Для низковязких материалов температура сопла устанавливается ниже, чем в зоне дозирования, чтобы
предотвратить вытекание расплава. Поскольку с ростом температуры
снижается термостабильность расплава, то необходимо учитывать,
что продолжительность пребывания материала в пластикационном
цилиндре не должна быть больше вре
мени термостабильности рас-
плава при данной температуре.
Нагнетаемый шнеком расплав при закрытом сопле накапливается
в зоне дозирования, и за счет развивающегося в материале давления
шнек перемещается назад. Скорость отхода шнека регулируется путем
создания в гидроцилиндре узла впрыска противодавления. Чем больше
67
противодавление, тем выше плотность расплава и более однородна его
температура. Кроме того, с ростом противодавления увеличивается
нагрев материала в зоне дозирования за счет сдвиговых деформаций.
Однако с ростом противодавления уменьшается пластикационная производительность литьевой машины, т.е. уменьшается количество материала, переводимого в расплав в единицу времени.
Если пластикационная производительность литьевой машины невелика, то за счет увеличения вре
мени подготовки новой дозы расплава, приходится увеличивать время пребывания отливки в форме, что
снижает производительность оборудования.
Заполнение формы расплавом (впрыск) начинается после подготовки необходимой дозы расплава и смыкания формы. Под действием
усилия, развивающегося в гидроцилиндре узла впрыска, шнек движется вперед, и че
рез сопло и литниковую систему подает расплав в фор-
мующую полость.
Создаваемое наконечником шнека давление затрачивается на вязкое течение расплава и входовые эффекты, обусловленные вязкоупругими свойствами расплавов полимеров. Поэтому давление в форме
существенно ниже, чем давление, развиваемое шнеком.
2.1. Температурные интервалы литья
под давлением термопластов (в °С)
Полимер
стеклования
Температура
или плавления
Термостойкость
интервал
переработки
Теоретический
при литье
разложения
Температура
интервал
переработки
Практический
ПС 100 310 100…310 280 170…250
ПВХ 87 170 87…170 – 170…190
ПММА 105 280 105…280 280 180…240
ПК 150 380 150…380 343 270…320
ПЭВП 136 320 136…320 296 220…280
ПП 176 300 176…300 278 200…300
ПА-6 255 360 225…360 303 230…290
ПА-6,6 255 360 255…360 315 260…280
ПЭТФ 255 380 255…380 300 260…280
68
Рис. 2.9. Изменение давления на входе в формующую полость (1)
ρ
∑
∑
и у ее дальней стенки (2) в течение цикла литья
под давлением термопласта
Температура расплава, поступающего в форму при впрыске (ТРВ),
Т
выше, чем температура в сопле (
го течения. Степень перегрева пропорциональна сумме перепадов давлений в каналах сопла и литниковой системы, обратно пропорциональна теплоемкости (
c ) и плотности расплава (
Р
РВСПЛ
TT
В формующей полости давление снижается по мере удаления
от места впуска расплава. На рисунке 2.9 показано изменение давления
на входе в формующую полость и в точке, максимально удаленной
от впуска, в течение цикла литья. Обе кривые имеют одинаковый характер, однако давление в конце формующей полости создается только
после ее заполнения, поэтому на кр
Давление, возникающее при течении полимера в полости формы,
расходуется лишь на преодоление сопротивления при его течении.
Разность между давлением в начале формы
полости определяет величину потерь давления в форме при ее заполнении.
На начальном участке кривой
давление в форме на входе увеличивается по мере поступления расплава в формующую полость. К моменту
конца формующей полости, и там также начинается рост давления.
) из-за диссипации энергии вязко-
СПЛ
):
Р
Δ+Δ
PP
ЛСПЛ
+=
ρ
c
РР
(2.2)
.
ивой 2 т. а2 совпадает с т. b2.
Р
и в конце формующей
1
1 в период времени t
1
b расплав достигает
(участок а
1b1
)
69
Но на участке bc скорость роста давления существенно выше, так как
происходит уплотнение расплава, продолжающееся до тех пор, пока
давление в гидроцилиндре узла впрыска не достигнет заданного
Р
значения
(точка с).
Л
Заполнение формы может характеризоваться двумя режимами:
– режим постоянной скорости течения и увеличивающегося
давления на входе в сопло;
– режим убывающей скорости течения.
На рисунке 2.10 приведена зависимость давления на входе
Р
в сопло
течения; II – режим постоянного давления на входе в сопло (кривая
давления на входе в форму
Q (кривая 3) от времени. Первоначально расплав течет с постоянной
ния
объемной скоростью (кривая
от времени: I – режим постоянной объемной скорости
СПЛ
Ρ
(кривая 2) и объемной скорости тече-
Ф
3), при этом давление на входе в сопло
1),
и в форму растет, что соответствует первому режиму (участок I).
max
,
По достижении в сопле максимального давления
P
величиной
, объемная скорость течения начинает уменьшаться,
Л
P определяемого
СПЛ
так как увеличивается длина течения при постоянном перепаде давлений, наступает второй режим – режим постоянного давления на входе
в сопло и убывающей скорости течения (участок II). В этом режиме
давление на входе в форму постоянно растет за счет снижения потерь
давления в сопле и в литниковой системе, так как скор
в них уменьшается. В режиме
Q = const заполнение формы идет за счет
ость течения
перепада давлений по длине формы. Расплав заполняет свободную
часть формы.
Рис. 2.10. Зависимость давления на входе в сопло PСПЛ (1),
давления на входе в форму Ρ
и длины затекания расплава в форму L (4)
70
(2), объемной скорости течения Q (3)
Ф