Суберляк О.В. "Технологія переробки"

31

3.2.3. Вплив текучості на якість виробів і конструктивні особливості обладнання

Висока текучість характерна для більшості кристалічних полімерів. Високотекучі полімери під тиском проникають в найменші щілини, що обумовлює наявність значної переливки і вимагає додаткових операцій для її видалення, а також ставить високі вимоги до щільності оснащення.

Для низьков’язких розтопів характерна велика усадка (збіжність), через це потрібні додаткові розрахунки виконавчих розмірів оснащення.

При великій текучості внаслідок зростання зворотних потоків у каналі шнека зменшується пластикаційна (гомогенізуюча з дозуванням) продуктивність обладнання.

Для лиття низьков’язких матеріалів потрібно використовувати ливники спеціальної конструкції із запірними соплами.

Вироби на основі низьков’язких матеріалів, як правило, мають нижчі механічні властивості, але високий полиск поверхні.

При низькій текучості (високій в’язкості) ускладнюється процес заповнення форми і тому необхідне підвищування тиску і температури, що призводить до зростання енерговитрат процесу переробки. Підвищення температури супроводжується подовженням технологічного циклу (оскільки потрібно більше часу на охолодження), а також – зростанням усадки. Вплив текучості на фізико-механічні властивості полімерів, зокрема поліетилену високої густини показано на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Залежність границі текучості при розтягу тр , руйнуючого напруження при розтягу р, відносного видовження при розриві р , ударної в’язкості а, стійкості до розтріскування Np та температури крихкості Тхр від ПТР для ПЕВГ

Підвищення тиску спричинює орієнтацію ланцюгів у напрямку течії (орієнтаційні напруження), що призводить до зростання анізотропії механічних властивостей, зменшення стійкості до розтріскування і пониження температури короблення. Анізотропія – розбіжність характеристик матеріалу в різних напрямках (в даному випадку в паралельному і перпендикулярному напрямку до напрямку потоку).

32

3.3. Вибір методу переробки полімерів

Для виготовлення конкретного виробу, як вже зазначалось вище, може бути використано кілька методів переробки пластмас.

При виборі методу виготовлення виробу першочергове значення набувають його вид, форма і розміри, тираж, економічні фактори.

При визначенні економічної доцільності вибору того чи іншого методу переробки на перший план висуваються питання продуктивності і розмірної стабільності. Слід пам’ятати, що вартість оснащення зараз досить висока, інколи вона досягає вартості основного обладнання.

Тому при малосерійному виробництві треба використовувати такі методи виготовлення виробів, у яких вартість оснащення мінімальна (форма з деревини, гіпсу, легких листових металів), а при багатосерійному виробництві слід враховувати інші фактори: вартість і доступність сировини, її технологічні характеристики, кількість відходів тощо. Якщо ж основну роль відіграє точність розмірів, то саме вона визначає метод переробки, економічність процесу і вартість готових виробів. Для досягнення стабільності розмірів виробів виправдане проектування більш дорогого оснащення з якісних сталей.

Таким чином, вибір оптимального методу формування виробів з полімерів повинен здійснюватися на основі аналізу сукупності всіх факторів з урахуванням їх важливості.

3.4. Технологічні властивості термопластів

Показник текучості розтопу необхідний для попереднього вибору методу переробки термопластів, а також – для конструювання оснащення та вибору параметрів переробки.

Гранулометричний склад визначають ситовим аналізом, який характеризує вміст частинок різного розміру в порошкоподібних і гранульованих матеріалах. Розмір частинок вимірюється в міліметрах чи мікронах, а ступінь дисперсності визначається в процентах і вказує на наявність частинок певного розміру в даній кількості матеріалу.

Гранули полімеру можуть мати різноманітну форму: циліндра, пластинки, куба, кулі тощо. В одній партії матеріалу форма гранул повинна бути однаковою, а їхні розміри максимально наближеними, тобто матеріал повинен бути однорідним. Оптимальний розмір гранул залежить від виду матеріалу і методу його переробки: з підвищенням температури топлення полімеру розмір гранул рекомендується зменшити. Для термопластів, що переробляються у вироби методом лиття під тиском і екструзією, розмір гранул повинен перебувати в межах 2 ÷ 5 мм, а для екструзії тонкостінних труб і профілів – 1,5 ÷ 3 мм.

Вміст вологи і летких речовин визначають перед переробкою полімерних матеріалів, щоб правильно вибрати технологічні параметри виготовлення виробів і визначити необхідність сушіння матеріалу.

Вміст вологи і летких регламентується ДСТ на даний полімер. Високий вміст вологи може бути причиною браку – у виробах можуть утворюватися пори, пухирі, погіршуватися зовнішній вигляд, з’являтися сріблясті смуги, поздовжні пасма, мікротріщини.

Граничний вміст вологи і летких, наприклад, у прес-порошках фенопластів становить 2 ÷ 4,5 %, в амінопластах 3,5 ÷ 4 %, в етролах 1,7 ÷ 3 %, у волокнистих і шаруватих пластиках 0,8 ÷ 3 %, в поліамідах 0,2 %.

Вміст вологи і летких визначається за різницею в масі певної наважки вихідної пластмаси до і після сушіння в термостаті при певній температурі (найчастіше 105°С) і тривалості витримки (переважно 1 година):

33

де: W – вміст вологи і летких, %; m0 – маса наважки полімеру до сушіння, г; m1 – маса наважки полімеру після сушіння, г.

Насипна густина (кг/м3) – це відношення маси матеріалу, який переробляється, до його об’єму. Користуючись значенням насипної густини, можна розрахувати завантажувальний простір прес-форм та бункерів обладнання для переробки пластмас.

Питома густина (кг/м3) – використовується для конструювання виробів і розрахунку теплових процесів при переробці.

Усадка (збіжність) (%) – основним параметром, який використовується для розрахунку виконавчих розмірів гнізда форми та для конструювання виробу. Первинна усадка враховує збіжність матеріалу у формі при виготовленні виробу у відповідному режимі а вторинна усадка – після видалення виробу з форми й охолодження його до кімнатної температури.

Температури переходів (Тс, Тт(пл) і Тд) – використовують для встановлення методу переробки конкретного полімерного матеріалу та визначення режимів формування.

36

Матеріал з пластикаційного циліндра потрапляє через сопло в центральний ливник, з якого в розвідні канали і через впускний – у порожнину форми, де формується виріб.

Для видалення з форми відливки після охолодження призначена система виштовхувачів. Матриця і пуансон закріплені відповідно до нерухомої й рухомої плит пресової частини термопласт-автомата. При переміщенні рухомої плити в процесі розмикання форми виштовхувачі штовхають готовий виріб разом з відформованими ливниками з матриці, внаслідок чого відливка видаляється з форми. При змиканні форми система виштовхувачів повертається в початкове положення.

4.1.1. Різновидності процесів лиття під тиском

4.1.1.1. Лиття в холодну форму. Це найпоширеніший спосіб, який застосовують для формування великого асортименту виробів з термопластів у випадку, коли даний процес відбувається без ускладнень. Метод ще називають холодноканальним литтям.

4.1.1.2. Лиття під тиском при змінній температурі форми. (Рл = 100 200 МПа). У

момент заповнення форми, тобто в момент упорскування, форма нагріта до температури, близької до температури розтопу. Після упорскування форма охолоджується з потрібною швидкістю, внаслідок цього значно подовжується цикл лиття. Тому спосіб використовують в крайніх випадках, коли потрібно сформувати виріб тонкостінний, з великою площою поверхні, з полімеру, який характеризується вузьким інтервалом Tp Тд a6o високою температурою кристалізації (наприклад, з поліетилентерефталату).

4.1.1.3. Спосіб інтрузії (спосіб самовільного заповнення форми розтопом). Суть його полягає в тому, що форма заповнюється розтопом при невисокому тиску (до 40 МПа) і при постійному обертанні шнека, який знаходиться в крайньому лівому положенні (в кінці зони дозування). При цьому опір оснащення повинен бути мінімальним, тому перетин каналів ливникової системи роблять максимально великим, або ж порожнина форми заповнюється відразу з центрального ливникового каналу.

Для створення потрібного тиску, який би забезпечив необхідну швидкість течії, використовують шнек зі зворотним конусом. Отже, при цьому способі суміщаються операції пластикації і заповнення форми.

Спосіб використовують для виготовлення товстостінних великогабаритних виробів, які за масою можуть значно перевищувати максимальну дозу, яку здатний накопичити шнек у пластикаційному циліндрі при його відведенні в крайнє праве положення. Цим способом переробляють матеріали з високою і широким інтервалом Tp Тд.

4.1.1.4. Інжекційне (литтєве) пресування. Метод полягає в двостадійному формуванні виробу з використанням форми з двома ступенями змикання.

На першій стадії здійснюється упорскування потрібної дози розтопу в порожнину форми, яка має збільшений об’єм у порівнянні з об’ємом виробу (1 ступінь змикання) (рис. 4.3). Внаслідок більшої висоти порожнини форми, зімкнутої на 1 ступені, тиск упорскування порівняно невеликий. Друга стадія формування полягає в розтисканні розтопу по порожнині внаслідок кінцевого змикання форми до 2 ступеня змикання за рахунок збільшення тиску у вузлі запирання литтєвої машини.

Такий спосіб дозволяє зменшити тиск лиття на 55 ÷ 70 %. Прес-лиття використовується для виробництва тонкостінних великоформатних виробів, наприклад, грамплатівок. При малій висоті формуючої порожнини внаслідок великого опору течії при звичайному методі лиття потрібно було б створювати тиск лиття 250 300 МПа.

4.1.1.5. Лиття під тиском багатокомпонентне. До такого методу відноситься лиття,

при котрому в одному гнізді форми одержують виріб монолітний, що складається

37

щонайменше з двох окремих частин, з’єднаних між собою, але різних за кольором або типом полімеру.

Рис. 4.3. Схема литтєвого пресування

Метод може бути розділений на дві різновидності:

–відкрите лиття, коли окремі частини виробу є видимі, бо виріб формується з того самого матеріалу тільки різного кольору; таке лиття також називають багатоколірним литтям;

–закрите, при котрому видима є тільки одна частина, а інші є внутрішніми; лиття також називають багатополімерним литтям, бо використовують різну сировину.

Багатоколірне лиття. Суть методу полягає в тому, що безпосередньо до форми з окремих пластикаційних циліндрів упорскуються одночасно дози матеріалу з різними кольорами. На першій стадії після замикання форми відбувається підвід пластикаційних вузлів і одночасне упорскування матеріалів, наприклад, червоного (1) і жовтого (2) (рис. 4.4). Наступні стадії циклу ті ж самі, що і при звичайному литті.

Рис.4.4. Схема двоколірного лиття з паралельним розміщенням литтєвих циліндрів (паралельне лиття): а) вигляд зверху після упорскування; б) вигляд збоку після розмикання і виштовхування відливки

Після розмикання форми виштовхується відливка (6), яка складається з двох двохколірних виробів. Формування двоколірних виробів у двох двогніздових формах є складнішим і полягає, наприклад, у тому, що обидві форми кріпляться до плити, яка виконує циклічні оберти на кут (π рад), а упорскування з обох циліндрів відбувається циклічно з визначеною черговістю.

Триколірне лиття полягає в тому, що на першій стадії процесу відбувається упорскування у верхню частину форми матеріалів 1 і 2. На цей час циліндр для матеріалу 3 є

38

ще виключений із циклу. На другій стадії здійснюється розкриття форми 5 і обертання плити з формами на кут π рад. На цей час третій циліндр приєднується до циклу і після змикання форми здійснюється упорскування матеріалу з кольором 3 до нижнього гнізда, а матеріалів 1 і 2 до верхнього гнізда.

Після охолодження форма розмикається, виштовхується триколірна відливка з нижнього гнізда, форма обертається на кут π рад і замикається. Після того здійснюється упорскування одночасно з трьох циліндрів і після охолодження – розмикання форми.

Багатоколірне лиття має ряд недоліків:

–дороговартісна складна форма;

–довгий час циклу;

–потрібна відповідна кількість литтєвих машин.

Такий метод є економічно вигідний при великому об’ємі продукції.

Позиційне розміщення литтєвих машин по відношенню до литтєвої форми може бути різним – паралельне, симетричне й несиметричне; паралельно-перпендикулярне й перпендикулярне (співосьове) (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Різновидності двоколірного лиття в двогніздну форму з різним розміщенням матеріальних циліндрів: 1 – вузли пластикації; 2 – форма;

а) паралельне, б) симетричне, в) несиметричне, г) перпендикулярне

Лиття багатокомпонентне закрите. Суть методу полягає в тому, що у форму упорскуються різні матеріали через одну спільну ливникову втулку.

Найпростішим є лиття двоскладове в одногніздну форму із заслінкою (рис. 4.6). На початку лиття заслінка закрита для обох потоків матеріалу А і В, які знаходяться в матеріальних циліндрах різних машин (рис. 4.6, а).

На першій стадії відбувається відкриття отвору С заслінки і підвід циліндра А з наступним упорскуванням матеріалу у форму (рис. 4.6, б). Потім отвір С перемикається і відбувається упорскування матеріалу з циліндра В (рис. 4.6, в). Друга порція матеріалу розтискає до стінок попередню порцію, не розриваючи і не порушуючи монолітності матеріалу А (рис. 4.6, г). Після упорскування циліндри повертаються на висхідне положення. Потім заслінка повертається у початковий стан і тоді проводиться стадія підтискання

39

матеріалу зовнішнього шару з циліндра А. Після витримки на охолодження при закритій заслінці форма розмикається і виймають виріб. При цьому проводяться стадії пластикації в обох циліндрах для набору дози до наступного циклу.

Рис. 4.6. Схема лиття двох полімерів в одногніздну форму із заслінкою: а, б, в і г – почергові стадії упорскування

Окрім лиття у форму із заслінкою може бути здійснене двокомпонентне лиття через сопло з двома каналами (метод фірми Більйон з Франції) (рис. 4.7). Фірма Нісей (Японія) використала сопло двоканальне з запірними клапанами на кожному каналі для запобігання зливання потоків (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Схема лиття двокомпонентного лиття з індивідуальними розвідними каналами в одногніздну форму: а, б, в – почергові стадії упорскування

Багатоскладникове (багатокомпонентне) лиття дає змогу отримати вироби винятково великих розмірів. Кожний шар у виробі виконує певну функцію, наприклад, зовнішній шар сприймає механічне навантаження, стійкий до стирання і надає виробові міцності і витривалості, а також потрібний естетичний вигляд. Внутрішні шари відіграють роль, в основному, наповнювача, а тому, здебільшого, можуть формуватися з вторинної або ж з дешевої сировини.

Недоліки цього методу ці ж самі, що й попереднього.

4.1.1.6. Лиття під тиском зі спінюванням. Прийнято вважати, що такий метод започаткований на фірмі Юніон Карбайд Корпорейшн (США) у 1966 р. Формування полягало в тому, що посередині пластикаційного циліндру під тиском подається газ, який

40

розчиняється в розтопі термопласту, з наступним упорскуванням одержаної маси в гніздо форми. Модифікація цього методу – газ подається в гніздо зімкнутої форми, після чого упорскується розтоп полімеру. Стиснений під дією розтопу газ розчиняється в масі полімеру, а надлишок витісняється в бічний циліндр.

Рис. 4.8. Схема спільного двокомпонентного лиття за методом фірми Нісей: 1 – два канали сопла; 2 – зворотні клапани

Розповсюдженим методом є метод лиття під тиском матеріалу, який містить порофор, введений під час синтезу. Цей метод поділяють на лиття при низькому і високому тискові.

Лиття при низькому тискові (низькотискове). Цей метод полягає в тому, що об’єм дози упорсненого матеріалу з розчиненим газом, який утворюється при розкладі порофору в пластикаційному циліндрі, є меншим за об’єм гнізда форми. При умові низького тиску, який

єу формі, газ виділяється з маси, утворюючи тиск 8 МПа, внаслідок чого маса спінюється з утворенням дрібних бульбашок і матеріал зростає в об’ємі, виповняючи весь об’єм гнізда. Найбільше зростання об’єму не перевищує 50 %. Ступінь пористості регулюється кількістю порофору.

При такому способі одержують вироби із шорсткою пористою поверхнею, що може бути й корисним при необхідності імітації, наприклад, дерева. Перевагою такого формування

євідсутність западин на поверхні, вирівнювання котрих відбувається за рахунок саморегуляції ступеня спінювання, який залежить від перепаду тисків між внутрішнім об’ємом і зовнішньою поверхнею.

До переваги цього методу належить також висока швидкість упорскування, котра, фактично, залежить від швидкості переміщення шнеку і доходить до 0,5 м/с. В зв’язку із цим час стадії упорскування є дуже малим. Наприклад, на литтєвих машинах Siemag (Німеччина) цей час становить 0,1 ÷ 0,2 с для відливок з масою до 0,5 кг і до 0,75 с при масі 15 ÷ 25 кг. Звідси існує визначення „лиття з вибухом”. Тиск при низькотисковому литті потрібний лише для перемагання опору при течії через сопло та ливникові канали і тому становить 50 % тиску, необхідного для лиття монолітних виробів. Низький тиск лиття сприяє тому, що на замикання форми потрібно невеликі зусилля, що спрощує конструкцію вузла замикання і зменшує енергозатрати. Метод низькотискового лиття використовують для виготовлення великогабаритних виробів.

Вироби мають різну густину за товщиною стінки (рис. 4.9), котра має монолітну тонку оболонку й пористу середину. Густина і міцність на згин виробу залежать від довжини шляху течії розтопу (рис. 4.10). Течія матеріалу не призводить до орієнтації полімеру у