Технология переработки из расплавов аморфных и кристаллизующихся веществ

51

КУРСОВАЯ РАБОТА

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗ РАСПЛАВОВ АМОРФНЫХ И КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ ВЕЩЕСТВ

Оглавление

Введение 3

1. Классификация термопластичных материалов 4

1.1 Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам 4

1.2 Классификация термопластов по объему производства 5

1.3 Классификация термопластов по химической структуре 5

2. Технология экструзии полимеров 13

2.1 Типы и устройство экструдеров 13

2.2 Поведение полимера при экструзии 16

2.3 Основные параметры процесса экструзии 18

3. Технологические параметры переработки (литья) термопластичных полимеров 19

3.1 Принципы качественного литья 20

3.1.1 Влияние конструкции изделия и пресс-формы на процесс уплотнения при литье термопластов 20

3.1.2 Процесс уплотнения для аморфных и кристаллизующихся материалов 21

3.2 Разновидности процесса литья 32

3.2.1 Литье тонкостенных изделий 32

3.2.2 Литье при низком давлении 38

3.2.3 Технологии литья термопластов с газом 40

Литература 50

Введение

Промышленность пластмасс развивается сегодня исключительно высокими темпами. Начиная с 60-х годов, производство полимеров, основную долю которых составляют пластмассы, удваивается через каждые 5 лет, и эти темпы роста в соответствии с прогнозом на период до 1990 г. сохранятся.

Характерным является опережающее развитие в промышленности пластмасс термопластичных материалов, составляющих в среднем около 70 % от общего количества производимых пластмасс.

Современные тенденции создания малоотходной и безотходной технологии приводят к тому, что рост производства пластмасс неизбежно сопровождается совершенствованием технологических процессов, внедрением нового оборудования для синтеза и переработки.

В области синтеза пластмасс преимущественное развитие получают процессы полимеризации в массе (получение полиэтилена, полистирола) по сравнению с водно-дисперсионными методами. Все интенсивнее внедряются непрерывные процессы с высоким уровнем автоматизации и механизации, вытесняя периодические процессы. Возрастают единичные мощности технологического оборудования (полимеризаторов, сушилок, экструдеров и др.) и совершенствуется их конструкция. Улучшается качество сырья, используемого в процессах синтеза и конфекционирования. [1]

1. Классификация термопластичных материалов

К термопластичным материалам или термопластам относятся полимеры, которые при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в жидкое: высокоэластическое или вязкотекучее. При охлаждении материала происходит обратный переход в твердое состояние. Поведение при нагревании отличает термопласты от термореактивных материалов или реактопластов, которые отверждаются за счет химической реакции и не способны далее переходить в жидкое агрегатное состояние.

1.1 Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам

Термопластичные материалы делят на несколько групп в зависимости от уровня эксплуатационных свойств. К таким свойствам прежде всего относится температура долговременной эксплуатации.

Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации):

- Материалы общетехнического назначения или общего назначения;

- Пластмассы инженерно-технического назначения или конструкционные пластмассы;

- Суперконструкционные или высокотермостойкие полимеры.

Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения и инженерно-технического назначения.

За рубежом классификации полимеров по уровню эксплуатационных свойств и их отнесение к той или другой группе материалов в настоящее время носит вспомогательный характер и используется лишь в целях упорядочения информации.

Материалы специального назначения

Иногда условно выделяют группу материалов специального назначения (специальные пластмассы, функциональные пластмассы). К ней относят материалы, обладающие особыми, иногда уникальными, свойствами. Эти свойства могут обеспечиваться особой химической структурой полимера или специальными наполнителями и добавками. Среди специальных добавок - электропроводящие добавки (антистатические, электропроводящие, ЭМИ-экранирующие материалы), антифрикционные добавки (материалы с пониженным коэффициентом трения), фрикционные добавки (материалы с повышенным коэффициентом трения) и др. [2 - 5]

1.2 Классификация термопластов по объему производства

Нередко в литературе выделяют группу крупнотоннажных материалов, к которым относят полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), основные стирольные пластики (PS) и особенно АБС (ABS), акрилаты, ПВХ (PVC) и бутылочный ПЭТ (PET).

1.3 Классификация термопластов по химической структуре

Классификация, основанная на химической структуре полимеров, включает множество аспектов. Остановимся только на тех вопросах и терминах, которые часто упоминаются в технологической литературе.

Функциональные группы термопластов

По химическому строению, определяемому наличием в структуре определенных функциональных групп, литьевые термопластичные материалы обычно подразделяют на несколько групп. Современная промышленность выпускает большое количество типов полиолефинов (PO), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (PE) и полипропиленов (PP). Многочисленные типы материалов представлены в группах стирольных пластиков (PS), полиамидов (PA), сложных полиэфиров.

Традиционно выделяют группы полимеров на основе целлюлозы, фторполимеров или фторопластов. Акриловых полимеры или акрилаты (acrylic) обычно являются сополимерами. Изготовители этих материалов часто указывают только принадлежность материала к данной группе и не приводят данные о химической структуре сополимера. [6]

Примечание: 1 - Карбонатная группа содержит сложноэфирную группу, поэтому обычно поликарбонаты относят к сложным полиэфирам.

Гомополимеры. Сополимеры. Интерполимеры

Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называют гомополимерами, из разных - сополимерами.

По структуре сополимеры делят на несколько типов:

- блок-сополимер - с регулярным чередованием последовательностей (блоков) звеньев в основной цепи;

- статистический сополимер - с нерегулярным чередованием последовательностей звеньев;

- привитой сополимер - имеет основную цепь в виде гомополимера или сополимера, к которой присоединены боковые цепи;

- чередующийся или альтернатный сополимер - с регулярным чередованием звеньев в основной цепи.

В последнее время большое развитие получили интерполимеры - сополимеры, образующие гомогенную структуру (компоненты не выделяются в отдельные фазы).

Помимо двойных сополимеров, построенных из двух типов мономерных звеньев, выпускаются тройные сополимеры, состоящие из трех типов звеньев, а также сополимеры с четырьмя и большим количеством типов звеньев. Тройными сополимерами являются АБС-пластики (ABS), ACA-сополимер (ASA) и др.

Стереоизомеры

Для многих типов материалов (полипропилен, полистирол и др.) помимо химической формулы большое значение имеет стереоизомерия - тип пространственной конфигурации боковых групп атомов относительно полимерной цепи. Наиболее важные типы стереоизомеров:

- изотактический - в схематичном изображении (например, в "проекции Фишера") боковые группы расположены "по одну сторону" условной плоскости полимерной цепи;

- синдиотактический - в схематичном изображении боковые группы последовательно чередуются "по одну и другую сторону" условной плоскости полимерной цепи;

- атактическиий - в схематичном изображении боковые группы располагаются беспорядочно "по одну и другую сторону" условной плоскости полимерной цепи.

Реальная пространственная структура стереоизомеров является более сложной, из-за того, что макромолекула закручивается в спираль.

Развитие технологии синтеза полимеров с одним центром полимеризации на металлоценовых и неметаллоценовых катализаторах позволило наладить в последние годы промышленный выпуск различных стереоизомеров.

В качестве примера влияния стереоизомерии на эксплуатационные свойства материала можно привести синдиотактический полистирол (SPS), являющийся кристаллизующимся материалом с высокой термостойкостью, в отличие от обычного аморфного атактического полистирола.

Классификация термопластов по способности к кристаллизации

Термопластичные материалы делят на две группы в зависимости от способности к кристаллизации [7]:

- Аморфные полимеры: ABS, GPPS, HIPS, PC, PES, PMMA, PPO, PVC и др.

- Кристаллизующиеся полимеры: PA 6, PA 66, PBT, PE, PET, POM, PP, PPS и др.

В кристаллизующихся полимерах при охлаждении расплава только часть полимера переходит в кристаллическое состояние, характеризующееся дальним порядком. Другая часть имеет аморфное состояние.

Иногда выделяют группу частично кристаллизующихся полимеров, к которым относят полимеры со сравнительно небольшой степенью кристалличности (менее 80 или 60% по разным источникам).

Способность к кристаллизации - очень важное свойство материалов, определяющее их эксплуатационные свойства и поведение при переработке. Оно обязательно должно учитываться при конструировании изделий и пресс-форм и выборе технологического режима литья. Кристаллизующиеся материалы имеют высокий уровень усадки и анизотропии усадки.

Деление на аморфные и кристаллизующиеся полимеры является в некоторой степени условным и относится только к определенным условиям, т.к. способность к кристаллизации зависит от множества факторов. Полимеры, которые ведут себя в условиях литья под давлением, как аморфные, в других условиях могут кристаллизоваться. Например, аморфный поликарбонат кристаллизуется при сверхвысоких давлениях (500 МПа), при длительной выдержке (8 дней при 180 С) и под действием некоторых растворителей (например, ацетона).

Особенности формования аморфных полимеров

Аморфные полимеры при изготовлении из них расплава изделий переходят в твердое состояние без изменения фазового (аморфного) состояния. Параметром изменения надмолекулярной структуры полимеров является степень ориентации. Ориентация макромолекул связана со сдвигом материала под действием напряжений в процессе формования.

В процессе течения высокоэластичная деформация достигает определенной величины, определяемой свойствами материала, режимами и условиями течения. Поэтому после заполнения формы она (высокоэластичная деформация) релаксирует (уменьшается). Но из-за охлаждения материала в прессформе (температура прессформы ниже температуры стеклования) уменьшается скорость релаксации. Уменьшение скорости и ограничение продолжительности релаксационного процесса приводит к остаточной (неполной) релаксации (сохраняющейся в деталях). Часть ориентированных полимерных цепей при этом остаются «замороженными» в неравновесных конформациях.

Ориентация распределена в продольном и поперечном сечении детали неравномерно. В результате возможности релаксации в начальные моменты впуска материала в прессформу ориентация уменьшена (отсутствие давления и неполный контакт с прессформой). Далее при двухмерном течении (к стенкам прессформы и вглубь) по радиусу и длине ориентация неравномерна, а ее характер распределения определяет режим течения.

Эксплуатационные свойства изделий из аморфных полимеров существенно зависят от степени ориентации в процессе формования: упорядоченная при ориентации структура полимера приводит к увеличению прочности в направлении течения и уменьшению прочности в направлении перпендикулярном течению материала, образованию внутренних напряжений. Это может приводить к растрескиванию изделий, образованию микротрещин (ухудшению оптических свойств, помутнению, появлению серебрения) особенно в местах спая встречных потоков материала, короблению, снижению размерной стабильности.

Особенности формования кристаллизующихся полимеров

При формовании изделия, расплав полимера кристаллизуется в результате теплопередачи его тепла более холодным стенкам прессформы. Скорость охлаждения в разных слоях различна: в слоях, касающихся прессформы - наибольшая, в средних слоях - наименьшая. Скорость охлаждения и напряжение сдвига существенно влияют на структурообразование. Выделяют две предельных скорости охлаждения Vпр и Vпр и два предельных напряжения сдвига пр и пр, которые условно разграничивают зависимость размеров и структурных образований на три участка. При охлаждении с высокими скоростями, больше Vпр, кристаллизация материала сопровождается только образованием зачатков кристаллитов и ламелярных образований; при охлаждении с низкими скоростями, ниже Vпр, в полимере формируются развитые сферолиты; при охлаждении с промежуточной скоростью, в пределах Vпр - Vпр, формируются промежуточные структурные образования, пропорционально скорости охлаждения. Охлаждение расплава полимера при низких напряжениях сдвига, меньше пр, практически не создает деформированных сферолитов, они симметричны; при деформировании с высокими напряжениями сдвига, выше пр, формируются сноповидные или стержневые образования (вытянутые в направлении течения); при промежуточных напряжениях сдвига в процессе формования (пр - пр) получают ориентированные сферолиты, степень ориентации зависит от напряжения сдвига.

Формирование слоевой структуры проявляется из-за интенсивного охлаждения и больших сдвиговых напряжений, особенно при литье под давлением. Поэтому структура деталей сложная. В поперечном сечении детали выделяют три структурные области, формируемые в три основных периода процесса литья под давлением.

Первая структурная область - поверхностная оболочка, образуется в период заполнения прессформы; вторая область - средний слой, формируется в период нарастания давления и выдержки под давлением; третья область - центральный слой, образуется в период спада давления. Поверхностная оболочка может состоять из трех слоев: первый слой - наружный - состоит из кристаллитов или ломелярных образований, она образуется при быстром охлаждении расплава и ориентации расплава при значительных напряжениях сдвига: слои материала в потоке поворачиваются и растягиваются - ориентируются; а при соприкосновении со стенками прессформы достигнутая ориентация фиксируется; средний слой - зона неразвитых сферолитов, которые либо слабо деформированы - ориентированы, либо недеформированы, так как эти слои охлаждаются со средними скоростями ( интервал Vпр - Vпр), причем сферолитные образования , проходящие с низкими напряжениями сдвига получают недеформированными, а при напряжениях сдвига пр > > пр получают несимметричные - ориентированные сферолиты; центральный слой возникает при заполнении прессформыс высокими напряжениями сдвига, более пр, здесь получают сноповидные сферолиты - ориентированное состояние.

Средняя зона может состоять из двух слоев с различными размерами сферолитов: в наружном слое этой зоны, охлаждающемся со скоростью больше Vпр возникают неразвитые сферолиты, внутренние слои охлаждаются с меньшими скоростями, меньшими Vпр, и поэтому в ней возникают развитые сферолитные образования ( в это время, в период подпитки, низкие скорости течения и низкие напряжения сдвига). В случае литья материала в подогретую форму образуется одна зона, а скорость охлаждения в различных слоях зоны ниже предельной Vпр.

Центральная зона может состоять также из двух зон. Эта зона образуется при охлаждении с низкими скоростями охлаждения и почти без сдвиговых напряжений, поэтому она состоит из развитых неориентированных сферолитов. Образование двух слоев определяют условия формования: наружный слой - без микропор, внутренний с микропорами; при охлаждении под давлением микропоры не возникают, при частичном охлаждении под давлением в незатвердевшем до снятия давления материале в результате усадки возникают микропоры.

Механические свойства изделий из кристаллизующихся полимеров связаны со слоевой структурой. Зоны центральная и средняя по механическим свойствам мало отличаются. Поверхностная зона оказывает решающее значение на свойства изделия и ее учитывают в расчетах на работоспособность в зависимости от структуры.

Влияние технологических параметров на слоевую структуру изделий

Эти параметры влияют на структуру, размеры слоев и зон изделий из кристаллизирующихся полимеров и их свойства. Требуемую структуру с заданными размерами зон и слоев в зависимости от условий эксплуатации изделия можно получить путем выбора технологических параметров.

Толщина поверхностной зоны зависит от температуры материала Т0 и прессформы Тф и времени ее заполнения. Увеличение Т0 и Тф уменьшает толщину этой зоны, а увеличение времени заполнения увеличивает ее. Толщина средней зоны также будет меньше при повышении Т0 и Тф и времени впуска; повышение давления Р и времени выдержки увеличивают толщину средней зоны. Толщина центральной зоны увеличивается с увеличением Т0 и Тф и практически не зависит от заполнения, давление оказывает незначительное влияние на нее.

2. Технология экструзии полимеров

Экструзия - способ получения изделий или полуфабрикатов из полимерных материалов неограниченной длины путем выдавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру) нужного профиля. Экструзия, наряду с литьем пластмасс под давлением, является одним из самых популярных методов изготовления пластмассовых изделий. Экструзии подвергаются практически все основные типы полимерных материалов, как термопласты, таки и реактопласты, а также эластомеры.

В основном для экструзии пластмасс применяют шнековые, или червячные, экструдеры. Также существуют дисковые экструдеры. Для успешного производства продукции методом экструзии недостаточно только одного экструдера. Кроме него необходимо иметь еще несколько единиц оборудования, вместе составляющих экструзионную линию. Кроме того, существуют выдувные экструдеры, которые применяются в установках по получению изделий методом экструзионно-выдувного формования. Их описание, не входит в данную статью. Практически не встречаются экструдеры с вертикальными шнеками.

2.1 Типы и устройство экструдеров

1. Червячные экструдеры подразделяются на одношнековые, двухшнековые и многошнековые.

Наиболее простым оборудованием для экструзии является одношнековый (одночервячный) экструдер без зоны дегазации (рис. 1). Такие экструдеры широко применяются для производства пленок, листов, труб, профилей, в качестве одной из составных частей линий-грануляторов и т.д. Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, винтовой шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и адаптер.

В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля с разным шагом и глубиной витков. В зависимости же от вида выпускаемого изделия применяют либо коротко-, либо длинношнековые машины, т. е. с малым или большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера. Типоразмерный ряд экструдеров, выпускавшихся в Советском Союзе был основан на диаметрах шнека: D = 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250 и 320 мм.

Рис. 1. Схема одношнекового экструдера: 1- бункер; 2- червяк (шнек); 3- цилиндр; 4- полость для циркуляции воды; 5- нагреватель; 6- решетка с сетками; 7- формующая головка с адаптером

2. Двухшнековые экструдеры могут применяться как в тех же случаях, что и одношнековые, так и в специальных условиях, когда одношнековые экструдеры не справляются с задачами. В российских реалиях двухшнековые экструдеры в подавляющем большинстве случаев используются для экструзии ПВХ (поливинилхлорида) в изделия строительного назначения. Технология процесса экструзии ПВХ зачастую подразумевает применение порошкообразного основного сырья (ПВХ-композиции), которую невозможно переработать на стандартной одношнековой экструзионной линии. Как правило, двушнековые экструдеры в обязательном порядке оснащаются устройством дегазации. Двухшнековые экструдеры различают двух основных типов:

· экструдеры со шнеками, находящимися в зацеплении (с однонаправленным или противоположно направленным вращением шнеков);

· экструдеры со шнеками, не находящимися в зацеплении (с однонаправленным или противоположно направленным вращением шнеков).

3. Многошнековые экструдеры применяются сравнительно редко. К таким экструдерам можно отнести четырехшнековый экструдер, а также планетарный экструдер. Червячная система последнего состоит из одного центрального червяка и еще, как правило, 6 дополнительных шнеков, расположенного вокруг основного на одинаковом радиальном расстоянии. Эти шнеки называют планетарными, отсюда и название экструдера. Такая конструкция позволяет перерабатывать материалы, склонные к быстрой термической деструкции (часто - композиции ПВХ) без применения высоких температур, но со значительным смесительным эффектом и интенсивной дегазацией расплава.

4. Дисковые экструдеры относятся к достаточно редкому типу экструзионных машин современности. Работа дискового экструдера основана на перемещении полимерного материала и создании давления за счет адгезии полимера к подвижным частям экструдера. Такие экструдеры могут быть как однодисковыми, так и многодисковыми. Последний является наиболее современным вариантом и позволяют давать давление расплава на выходе в несколько раз превышающее давление расплава стандартного одношнекового экструдера. Однако, обычно это преимущество нивелируется высокой стоимостью многодискового экструдера вследствие его конструкционной сложности.

2.2 Поведение полимера при экструзии

Поведение полимера внутри экструдера рассмотрим на примере одношнековой экструзии гранулированного материала. Технологический процесс экструзии складывается из последовательной пластикации и перемещения материала вращающимся шнеком в зонах материального цилиндра. Различают следующие зоны - питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III).

Можно сказать, что деление шнека на зоны I-III достаточно условно, оно осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Цилиндр также имеет определенные длины зон обогрева. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I-III и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для обеспечения успешного перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.

Загрузка сырья. Полимерный материал для экструзии, подаваемый в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Последний вид сырья характерен для переработки отходов промышленного производства пленок и осуществляется на специальных экструдерах, снабженных принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах. Равномерное дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата.

Наиболее часто экструзией перерабатываются гранулированные пластики. Переработка полимера в виде гранул - оптимальный вариант питания экструдера. Гранулы полимера меньше склонны к "зависанию" и образованию пробок в бункере, чем порошок, а также гранулы легче пластицируются и гомогенизируются.

Загрузка межвиткового пространства щнека под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном (1 - 1,5)D. При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы: шнековые (объемные), вибрационные, весовые и т. п. Сыпучесть материала сильно зависит от его влажности: чем больше влажность, тем меньше сыпучесть. Поэтому гигроскопичные материалы необходимо сушить перед загрузкой в экструдер.

Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера в материальный цилиндр, также удается существенно повысить производительность машины. При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и после прохождения через головку образует в изделии нежелательные полости.

При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начнут слипаться и прекратится их подача на шнек. Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды. Обычно зона загрузки является единственной охлаждаемой зоной современных экструдеров.

1. Зона питания (I). Поступающие из бункера гранулы или порошок полимера заполняет межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняется.

2. Зона пластикации и плавления (II). В зоне II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. В тонком слое расплава полимера происходят интенсивные сдвиговые деформации, как следствие материал пластицируется, что приводит к интенсивному смесительному эффекту. Основной подъем давления P расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II- плавящийся. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования экструдируемого профиля.

3. Зона дозирования (III). Расплавленная масса полимера продолжает гомогенизироваться, однако она все еще не является однофазной и состоит из расплавленных и твердых частиц. В конце зоны III пластик становится полностью гомогенным и готовым к продавливанию через чистящие сетки и формующую головку.

2.3 Основные параметры процесса экструзии

К технологическим параметрам переработки пластмасс методом экструзии относятся:

· температура по зонам экструдера,

· давление расплава,

· температура зон головки,

· режимы охлаждения экструдированного профиля.

Основными технологическими характеристиками экструдера являются длина шнека L, диаметр шнека D, соотношение L/D, скорость вращения шнека N, а также профиль шнека и степень изменения объема канала шнека.

Основной характеристикой формующего инструмента, состоящего как правило из экструзионной головки (вместе с фильтрующими сетками) и калибрующего узла, является коэффициент сопротивления течению расплава K. Перепад давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивления сеток и, следовательно, сигналом к их замене.

Укрупненным показателем работы любого экструдера можно назвать его эффективность, измеряемую как отношение производительности экструдера к его потребляемой мощности [7, 8, 11].

3. Технологические параметры переработки (литья) термопластичных полимеров

Необходимо различать параметры процесса литья, задаваемые в системе управления термопластавтомата, термостата, и фактические параметры процесса, которые реализуются в литьевой машине и пресс-форме.

В первую очередь это связано с тем, что стадии процесса литья, определяемые системой управления литьевой машины, отличаются от стадий (или фаз) процесса, реализуемых для конкретной отливки.

Задаваемые параметры процесса зависят от особенностей системы управления литьевой машины.

Стадия загрузки (пластикации)
Частота вращения шнека / линейная скорость вращения шнека
Противодавление (давление пластикации)
Время загрузки / Положение шнека после загрузки	Положение шнека после загрузки, доза расплава
Подсос (отвод шнека назад без вращения)
	"Подушка" (крайнее переднее положение шнека)1
Стадия впрыска (заполнения)
Скорость впрыска / профиль скорости впрыска	Фактическая скорость впрыска
Давление впрыска	Изменение давления при впрыске
Переключение на выдержку под давлением	Фактическое переключение на выдержку под давлением / время впрыска
Стадии выдержки под давлением (подпитки), выдержки на охлаждение
Давление выдержки (давление формования, давление подпитки) / профиль давления выдержки	Изменение давления в полости формы при выдержке под давлением
Время выдержки под давлением	Фактическое время выдержки под давлением
Время выдержки на охлаждение
	Время цикла
Общие
Температура материального цилиндра	Температура расплава
Температура нагревателей (для горячеканальных форм)
Температура хладоагента / Температура формы (в точке контроля)	Температура формующих поверхностей

1 - хотя "подушка" соответствует моменту окончания выдержки под давлением (подпитки), она регулируется изменением дозы расплава. Поэтому здесь она отнесена к стадии загрузки. [19-25]

3.1 Принципы качественного литья

3.1.1 Влияние конструкции изделия и пресс-формы на процесс уплотнения при литье термопластов

Стадия уплотнения (подпитки) оказывает большое влияние на качество изделия из термопластичного материала [20, 26.27] наряду с другими стадиями литьевого цикла. После окончания заполнения отливки в литьевой полости происходит нарастание давления за счет уменьшения перепадов давления в системе сопло-литник-изделие. В процессе уплотнения уменьшение объема охлаждаемого полимера частично компенсируется за счет подачи в литьевую полость дополнительного количества полимерного расплава под давлением. При недостаточном уплотнении на литьевом изделии появляются утяжки, внутренние усадочные полости, дефекты текстуры. Недостаточное и неравномерное уплотнение может приводить к короблению изделия.

Эффективным методом изучения процесса уплотнения при литье под давлением является конечноэлементный анализ [28-30]. В примерах, которые приводятся в данном докладе, моделирование процесса впрыска, уплотнения и охлаждения отливки проводилось в программном продукте MPI/Flow, а коробления - в программном продукте MPI/Warp компании Moldflow. Процесс литья моделируется в MPI/Flow как двумерное течение сжимаемого расплава в неизотермических условиях (модель Хеле-Шоу), с учетом основных факторов, влияющих на поведение полимера в литьевом канале (теплоперенос в пристенных слоях пресс-формы, диссипативное тепловыделение при течении, тепловые эффекты сжатия-растяжения расплава и др.). В отдельных случаях учитывались входовые эффекты. Расчеты проводились при симметричном равномерном охлаждении литьевой полости. Температуры расплава и формы соответствовали средним значениям рекомендуемого диапазона переработки полимера. Скорость впрыска выбиралась так, что изменения рассчитываемой температуры фронта расплава в изделии не превышали 1-3 С.

3.1.2 Процесс уплотнения для аморфных и кристаллизующихся материалов

Современное количественное прогнозирование процесса уплотнения базируется на использовании экспериментальной PVT-диаграммы, характеризующей сжимаемость полимера под действием давления, а также усадочные процессы в условиях, приближенных к равновесным. PVT-диаграммы аморфных и кристаллизующихся материалов (рис. 2) имеют принципиальные различия.

Рис. 2. PVT-диаграммы АБС-пластика (аморфный) и ПП (кристаллизующийся)

Оценка уплотнения в реальном или моделируемом процессе может производиться по максимальному давлению в пресс-форме, по зависимости давления от времени, а также по весу изделия. При моделировании наиболее эффективна оценка уплотнения по величине объемной усадки материала, рассчитываемой на момент раскрытия пресс-формы. Объемная усадка определяется на основе рассчитываемой временной зависимости температуры и давления в узлах модели на стадиях впрыска, выдержки под давлением и выдержки на охлаждение. Аморфные полимеры отличаются от кристаллизующихся невысоким уровнем объемной усадки. При оценке объемной усадки необходимо учитывать влияние неравновесных условий на усадочные процессы. Скорость охлаждения оказывает большое влияние на степень кристалличности полимера, поэтому объемная усадка кристаллизующихся материалов, рассчитываемая на основе равновесных PVT-диаграмм, оказывается завышенной по сравнению с усадкой в реальном процессе. Например, для ненаполненного ПА 6 объемная усадка, рассчитываемая на основе равновесной PVT-диаграммы, может превышать фактическую объемную усадку на 100% [31].

Проводились экспериментальные работы [31 и др.] по изучению «неравновесных» PVT-диаграмм, полученных при высокой скорости охлаждения, и их применению в конечно-элементном анализе. Однако в современном коммерческом программном обеспечении данная методика не применяется.

Вязкость полимера на стадии уплотнения

Повышение вязкости полимера затрудняет процесс уплотнения. Однако при сравнении материалов по вязкости необходимо учитывать, что течение расплава на стадии подпитки осуществляется при низких скоростях сдвига. Материал может проявлять более высокую вязкость при больших скоростях сдвига, характерных для впрыска, и меньшую вязкость при уплотнении (рис. 3).



Рис. 3. Кривые течения для АБС-пластиков: Сплошная линия - Stylac ABS 100 (Asahi Kasei), пунктир - ABS 728-A (Kumho Chemicals)

Технологические параметры процесса уплотнения

Для управления подпиткой в материальном цилиндре перед шнеком должна оставаться достаточная «подушка» полимера (обычно 3-6 мм после окончания уплотнения).

Необходимо различать параметры процесса, задаваемые в системе управления литьевой машины, и параметры, реализуемые в конкретной пресс-форме. Какое бы большое время выдержки под давлением не было задано, после застывания впускного литника подача расплава полимера в литьевую полость прекращается. Однако процесс течения в незастывших внутренних слоях полимера может продолжаться за счет перераспределения давления внутри гнезда пресс-формы.

В реальном процессе время выдержки под давлением часто оценивают по весу изделия: время, при котором вес изделия перестает меняться, принимается за время выдержки. Аналогичную оценку можно проводить и в компьютерном анализе. На рис. 4 приведена зависимость веса отливки от времени для расчета (табл. 2). При проведении компьютерного анализа оценка времени выдержки под давлением обычно выполняется по рассчитываемому времени охлаждения впускного литника.



Рис. 4. Зависимость веса отливки (в % от максимального) от времени

Если давление выдержки оказывается равным максимальному давлению при впрыске, в начале процесса уплотнения наблюдается скачок давления в изделии. Для устранения этого скачка часто рекомендуется проводить «сброс давления» и задавать в качестве давления выдержки 80% от максимального давления при впрыске. Однако расчеты показывают, что оптимальное давление выдержки, определенное на основе оценки объемной усадки, в общем, не связано с максимальным давлением при впрыске и зависит от особенностей конструкции изделия и литниковой системы и вязкости материала.

Повышение давления выдержки до определенного уровня способствует улучшению уплотнения изделия. Одним из факторов, ограничивающих давление выдержки, является величина распорного усилия, развиваемого в полости формы. Распорное усилие должно быть меньше усилия замыкания термопластавтомата (необходимо предусмотреть запас 20-30%). Типовые конструкции форм обычно рассчитаны на давление в литьевой полости, не превышающее 80-100 МПа. При использовании большего давления выдержки необходимо повысить жесткость конструкции пресс-формы, например, за счет увеличения толщины плит, применения дополнительных опорных колонок и др. Слишком высокое давление выдержки приводит к переуплотнению полимера, что ведет к залипанию изделия в форме, повышению уровня остаточных напряжений, растрескиванию (для хрупких материалов).

Влияние конструкции изделия и места впуска на уплотнение

Чем дальше от места впуска находится область изделия, тем сложнее обеспечить ее уплотнение. В табл. 2 приведены расчеты процесса уплотнения пластины 200 х 30 мм толщиной 2.5 мм с холодноканальной литниковой системой для материалов Stylac ABS 100 (изготовитель Asahi Kasei) и ненаполненного полипропилена HD120M (изготовитель Borealis). Время выдержки под давлением превышало время, необходимое для застывания впускного литника. Время выдержки на охлаждение соответствовало времени полного застывания центрального литника (в реальном процессе изделие можно извлекать из пресс-формы, не дожидаясь застывания центрального литника).

Рис. 5. Модельное изделие «Пластина». Dцентр1 = 4.5 мм, Dцентр2 = 10 мм, Dразв = 8 мм, Dвпуск = 2.5 мм. Цифрами показаны точки измерения объемной усадки

Из-за высоких значений объемной усадки в конце потока заполняемая с торца прямоугольная пластина приобретает форму трапеции, а толщина изделия в области впуска оказывается больше толщины в конце потока.

Для выравнивания объемной усадки по длине изделия используют профиль давления выдержки с линейным сбросом давления в конце процесса уплотнения. Применение в расчете 4 профиля давления (рис. 6) позволило уменьшить разброс объемной усадки с 2.4 до 0.8%. Если система управления термопластавтомата не позволяет задавать линейное изменение давления, используют ступенчатый сброс. Для изделий, имеющих сложную геометрию, часто требуется применение специальных профилей давления выдержки, которые могут быть определены в компьютерном анализе.

Заполнение тонкостенных изделий с толщиной стенки менее 1 мм может быть связано с серьезными проблемами, но если они решены, такие изделия хорошо уплотняются. Наоборот толстостенные изделия с толщиной стенки более 5-6 мм легко заполнить, но сложно уплотнить. Для получения качественных толстостенных изделий часто применяют специальные технологии литья.

Рис. 6. Профиль давления для расчета 4. Пунктиром показано изменение давления в узле впрыска на стадии заполнения

Утолщение в области впуска легко уплотняется, наличие утяжек в такой области обычно свидетельствует об ошибках в конструкции литниковой системы. Любые утолщения в других частях изделия следует рассматривать как области, где возможно недоуплотнение.

В реальных литьевых изделиях наряду с утолщениями часто присутствуют тонкостенные участки. Использование повышенных давлений выдержки в таких изделиях может приводить к переуплотнению тонкостенных областей.

При конструировании изделия необходимо учитывать, что высокие ребра, малое расстояние между ребрами могут значительно затруднять отвод тепла от формующей поверхности. В областях с затрудненным отводом тепла повышается объемная усадка полимера, что приводит к утяжинам и др. дефектам.

Влияние литниковой системы на уплотнение

Конструкция холодноканальной литниковой системы оказывает большое влияние на процесс уплотнения. При этом самыми важными факторами, влияющими на уплотнение изделия, являются толщина впускного литника (определяется диаметром вписанной в его сечение окружности), его длина, а также конструкция области перехода от разводящего литника к впускному. При застывании впускного литника, который является самой тонкой частью литниковой системы, подпитка изделия прекращается. Тонкий и длинный впускной литник - типичная причина появления утяжек. Толщина впускного литника должна определяться таким образом, чтобы избежать появления дефектов, как при заполнении, так и при уплотнении изделия. Все факторы, затрудняющие отвод тепла от впускного литника и увеличивающие время застывания впускного литника, способствуют улучшению уплотнения. К таким факторам можно отнести: изготовление деталей пресс-формы, оформляющих впуск, из материала с пониженной теплопроводностью (легированная сталь), оформление впуска отдельной вставкой, наличие воздушных зазоров между этой вставкой и плитами пресс-формы.

Длинный переход от разводящего литника к впускному способствует быстрому охлаждению расплава перед впуском и затрудняет заполнение и уплотнение. Переход должен быть предельно коротким, но не должен содержать острых углов, способствующих появлению неустойчивого течения расплава на стадии впрыска.

При выборе конструкции туннельного литника необходимо учитывать ее влияние на процесс уплотнения. Рекомендуется отдавать предпочтение конструкциям туннелей без длинного перехода к впускному литнику с длиной впускного литника менее 2 мм.

При использовании материалов с высокой вязкостью (поликарбонат и др.) для обеспечения хорошего уплотнения изделия, толщина впускного литника может достигать толщины изделия. Для получения хорошего внешнего вида изделия в таких случаях могут применяться специальные устройства отделения литника с нагревом.

В некоторых случаях при большой толщине впускного литника и преждевременном снятии давления выдержки может наблюдаться обратное течение полимера из литьевой полости в литниковую систему. Результатом может быть недоуплотнение области вблизи впуска.

Для хорошего уплотнения изделия разводящие и центральный литники должны иметь достаточную толщину (определяется диаметром окружности, вписанной в сечение). Как правило, толщина разводящего литника должна превышать толщину изделия минимум на 1.5 мм [32]. Тонкие разводящие литники применяются для материалов, не требующих хорошего уплотнения. К таким материалам относятся некоторые типы ТЭП.

При конструировании литниковой системы необходимо избегать любых пережимов (сужение литьевого канала) и ступенек, которые способствуют быстрому охлаждению полимера и значительно затрудняют передачу давления в литьевую полость (рис. 7). Форма сечения литникового канала влияет на процесс уплотнения. Наиболее эффективны сечения в форме круга, скругленной трапеции, трапеции. Увеличение длины литниковой системы приводит к ухудшению уплотнения.

В пресс-форме с горячеканальной литниковой системой давление выдержки легко передается в изделие, поэтому хорошее уплотнение изделия можно получить при меньшем давлении выдержки. При этом распределение объемной усадки по изделию становится более равномерным. Поэтому можно утверждать, что горячеканальный литник способствует повышению качества изделия.



Рис. 7. Конструкции литников, затрудняющие процесс уплотнения а) тонкий впускной литник, б) длинный впускной литник (> 1 мм), в) длинный переход от разводящего литника к впускному, г) и е) туннельные литники с длинным переходом к впускному литнику, д) туннельный литник с длинным впускным литником (>2 мм), ж) - з) - пережимы, и) ступеньки

Если литниковая система содержит горячеканальные и холодноканальные литники, процесс уплотнения определяется конструкцией холодноканальной части.

Влияние системы охлаждения пресс-формы на уплотнение

При конструировании пресс-формы необходимо учитывать влияние системы охлаждения на процесс уплотнения. В холодноканальной пресс-форме недопустимо расположение охлаждающего канала вблизи впуска (подобные рекомендации встречаются в литературе), «пересечение» литника охлаждающим каналом. В настоящее время существуют два подхода к конструированию системы охлаждения: первый предполагает обеспечение равномерного охлаждения изделия, во втором равномерность уплотнения изделия достигается за счет его неравномерного охлаждения.

Влияние неравномерного уплотнения на коробление

Неравномерное распределение объемной усадки по изделию - одна из основных причин коробления. Коробление изделий из аморфных материалов (ПС, УПС, АБС, САН, ПММА, ПК, ПФО и т.д.), имеющих малую усадку, существенно меньше коробления из ненаполненных кристаллизующихся материалов (ПЭ, ПП, ПА 6, ПА 66, ПА 610, ПБТ и т.д.). При повышении жесткости изделия за счет увеличения основной толщины, введения ребер, использования материала с большим модулем упругости, коробление уменьшается.

Рис. 8. Объемная усадка и коробление для изделия «Светофильтр» (расчет в MPI/Flow, MPI/Warp): а) изделие с утолщением по периметру, горячеканальная литниковая система, б) изделие без утолщения, горячеканальная литниковая система, в) изделие с утолщением по периметру, горяче-холодноканальная литниковая система. Цифрами показаны значения объемной усадки и максимального коробления. Величины деформаций модели при изображении коробления увеличены в 8 раз.

Рассмотрим влияние неравномерного уплотнения на коробление на примере изделия «Светофильтр автомобильной фары», получаемого двухцветным литьем из поликарбоната. В компьютерном анализе моделировался процесс литья только одной части изделия с использованием материала одного цвета. Изделие имело основную толщину 2.5 мм и утолщение по периметру до 4-5 мм. Расчет показал: если впуск полимера производится в центральную часть изделия (рис. 8а), то при давлении выдержки 40 МПа высокая объемная усадка в области утолщения приводит к большому короблению (4.0 мм). Применение более высокого давления выдержки в данном случае невозможно, т.к. при повышении давления в центральной части изделия возникает переуплотнение.

На рис. 8б представлены результаты расчета для изделия без утолщения. В этом случае уплотнение изделия улучшается, величина коробления уменьшается до 2.8 мм.

Для конструкции с утолщением наименьшее коробление (1.7 мм) получается при впуске в утолщение (рис. 8в). Такой впуск обеспечивается литниковой системой, содержащей горячеканальную и холодноканальную части. Реализация данного технического решения (изготовление пресс-форма и литье выполнялось в ОАО «Автосвет, г. Киржач) позволило получить изделие высокого качество.

Технологии литья, улучшающие уплотнение

Уплотнение литьевых изделий может быть улучшено при использовании специальных технологий литья. К таким технологиям относятся литье с подпрессовкой (компрессионное формование или литье с изменяющейся геометрией литьевой полости), литье с газом, литье с водой, горячеканальное литье с независимым управлением профилем давления выдержки (технология «Dynamic feed» фирмы Synventive Molding Solutions) и др. Для изделий простой формы (прямоугольный параллелепипед, пластина, диск и др.) качественное изделие может быть получено и при недоуплотнении материала, если обеспечивается только одно направление усадки. Данная технология может быть реализована за счет неравномерного «одномерного» охлаждения полости формы [31 - 33].

3.2 Разновидности процесса литья

3.2.1 Литье тонкостенных изделий

Одним из наиболее эффективных методов снижения себестоимости изделия является уменьшение толщины стенки изделия, позволяющее уменьшить расход материала и цикл литья. Однако толщина стенки менее 1 мм и время цикла литья 5-10 сек накладывают особые требования к материалу, оборудованию и пресс-форме. Поэтому говорят о технологии тонкостенного литья [34 - 38].

Можно выделить 3 типа изделий, для литья которых применяется технология тонкостенного литья. К первому типу относятся изделия из термически стабильных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол и др., толщиной менее 1 мм. Указанные материалы используются для изготовления упаковки, одноразовой посуды. Низкий уровень механических свойств данных материалов обычно не позволяет снизить толщину менее 0.5-0.6 мм.

Ко второму типу можно отнести технически сложные изделия толщиной менее 1 мм, отливаемые из конструкционных термопластов (АБС-пластик, полиамиды, поликарбонат, полибутилентерефталат, полиацетали и др.) и суперконструкционных материалов (полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полиэфирэфиркетон, жидкокристаллические полимеры, полиэфиримид и др.). Данные материалы отличаются высоким уровнем механических свойств и невысокой термической стабильностью при переработке. Из этих материалов могут отливаться сверхтонкие изделия, например: электрический разъем из стеклонаполненного жидкокристаллического полимера длиной 250 мм с толщиной стенки 0.4 мм [39], миниатюрные разъемы из жидкокристаллического полимера толщиной 0.2-0.3 мм [40], корпуса электрических катушек из PA 66 и ПБТ толщиной 0.15 - 0.27 мм [41]. Существуют примеры литья и более тонких изделий, например толщиной 0.08 мм.

Тонкостенные изделия третьего типа - крупногабаритные изделия толщиной более 1 мм с отношением длина потока/толщина более 100. Литье таких изделий имеет свои особенности и здесь не рассматриваются.

Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу для тонкостенного литья

Рассмотрим особенности литья тонкостенных изделий 1-го и 2-го типа. Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу изделия при тонкостенном литье таких изделий обобщены в таблице [25-27]:

Литьевая машина	Высокое давление Высокая скорость впрыска Высокое усилие замыкания Быстроходность Высокий уровень системы управления Высокий уровень гидравлической системы
Пресс-форма	Горячеканальная система Интенсивное и равномерное охлаждение Повышенные требования к центрированию Повышенная точность изготовления литниковой системы Увеличенное усилие выталкивания Увеличенные литьевые уклоны Хорошая вентиляция Надежность работы всех систем пресс-формы Повышенная прочность и износостойкость материалов пресс-формы
Материал изделия	Высокая текучесть Стабильность Способность к "быстрому литью" Высокие механические свойства

При литье тонкостенных изделий из термически нестабильных материалов одним из наиболее критических параметров литьевой машины является скорость впрыска. При тонкостенном литье необходима очень высокая скорость впрыска т.к. материал очень быстро застывает. Литьевая машина для тонкостенного литья должна иметь гидроаккумулятор. Гидроаккумулятор увеличивает подачу масла в гидроцилиндр узла впрыска, что позволяет повысить скорость впрыска в 3 раза по сравнению с обычной машиной [2].

Если тонкостенное изделие отливается из термически стабильного материала, обычно можно взять машину с большим объемом - это обеспечивает повышение скорости впрыска. Для термически нестабильных материалов объем впрыска должен соответствовать объему отливки и время пребывания материала при высокой температуре должно быть минимальным.

Машина для тонкостенного литья должна обеспечивать высокое давление впрыска (1800-2500 кгс/см2 и более) и соответствующее высокое усилие замыкания. Например, для литья корпуса источника питания толщиной менее 0,5 мм из поликарбоната потребовалась машина с давлением литья, превышающим 2760 кгс/см2 [28].

Важнейшее условие получения качественных тонкостенных изделий - высокий уровень системы управления машины (управление с обратной связью по основным параметрам процесса, контроль процесса), надежность и стабильность работы машины. Изменение времени впрыска на 0,1 с может привести к недоливу [35].

Применение холодноканальных литников при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы или реже - для термически стабильных материалов - системы с незастывающими литниками, которые имеют меньшую стоимость, но менее надежны в работе.

При тонкостенном литье должна быть обеспечена высокая надежность работы всех систем пресс-формы. Особое внимание должно быть уделено центрированию формообразующих элементов. Смещение пуансона относительно матрицы на 0.01 мм может привести к резкому изменению характера течения полимера при впрыске. Высокая скорость впрыска требует хорошей вентиляции оформляющей полости.