ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ

Наиболее сильное влияние на прочность, усадку, твердость и другие свойства изделий оказывают давление, температура расплава и формы, время выдержки под давлением и скорость впрыска. Влияние технологических параметров на свойства изделий из аморфных и кристаллических полимеров различно. Так, при литье аморфных полимеров ударная вязкость с повышением температуры расплава вначале повышается, а затем, проходя через максимум, снова снижается (рис. 7.24). Аналогично изменяется разрушающее напряжение, однако его максимум достигается при более низких значениях Гр, что, вероятно, связано с изменением степени ориентации макромолекул полимера при заполнении формы расплавом. Влияние давления на прочность аналогично влиянию температуры (рис. 7.25).

ззз

Из представленных данных видно, что удельная ударная вязкость изделий из полиметилметакрилата при различных температурах практически не изменяется, но при этом в зависимости от температуры формы происходит смещение максимума кривой. При литье изделий из полиметилметакрилата наибольшее значение прочности достигается при давлении 125 МПа. Однако несколько иное влияние оказывает давление при литье полистирола (рис. 7.26).

Из полученных данных следует, что более высокая прочность полистирола при растяжении достигается при низких температурах литья и при высоких давлениях литья, но при этом, в отличие от литья полиметилметакрилата, отсутствует максимум прочности. Было также установлено, что при постоянной температуре расплава и формы давление литья не оказывает влияния на прочность при статическом изгибе полистирола. Однако при изменении давления в широком интервале наблюдается несколько максимумов прочности изделий, причем наибольшее значение прочности соответствует давлению 400 МПа. Особенно это характерно для кристаллических полимеров, таких как полиэтилен и полипропилен.

Кроме значения давления необходимо учитывать и продолжительность его приложения, которая определяется не только временем

Зависимость удельной ударной вязкости изделий из полиметилметакрилата от температуры расплава при различной температуре формы

Рис. 7.24. Зависимость удельной ударной вязкости изделий из полиметилметакрилата от температуры расплава при различной температуре формы

Зависимость разрушающего напряжения при растяжении изделий из полиметилметакрилата от давления в форме при температуре формы 30 °С и различной температуре расплава

Рис. 7.25. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении изделий из полиметилметакрилата от давления в форме при температуре формы 30 °С и различной температуре расплава

Рис. 7.26. Зависимость предела прочности полистирола при растяжении от температуры литья при разных давлениях:

  • 7 — 92,5 МПа; 2 — 140; 3 — 185;
  • 4 230 МПа выдержки под давлением, но и размерами впускного литникового канала, поскольку после затвердевания термопласта в этом канале передача давления прекращается.

Как уже было отмечено, температура расплава и формы очень сильно влияют на анизотропию свойств изделия, чем они выше, тем меньше разница в свойствах изделий вдоль и поперек направления литья. Особенно сильно на анизотропию свойств влияет время выдержки под давлением. Чем больше размеры литников, тем дольше длится подпитка формы расплавом, поэтому охлаждение происходит при воздействии напряжений сдвига, а это затрудняет релаксационные процессы и увеличивает ориентацию макромолекул и неоднородность. Проанализировать влияние температуры литья на изменение основных параметров процесса и свойства изделий можно на схеме 7.2. Подобную схему можно представить для влияния давления и других технологических параметров. При литье под давлением аморфных полимеров, например полистирола или его сополимеров, температура формы очень мало влияет на прочность изделий. Это хорошо видно из таблицы, где приведены соответствующие данные для блочного полистирола. В отличие от первых двух образцов, образец 3 после извлечения из формы быстро охлаждали, погружая в воду с температурой примерно 4 °С. В этом случае ударная вязкость образца полистирола несколько повышалась.

Очевидно, резкое охлаждение образцов препятствует процессам релаксации, что позволяет сохранить остаточную ориентацию, возникшую при течении полимера в форме, и соответственно повышает ударную вязость.

Схема 7.2. Взаимосвязь параметров литья и свойств изделий

Табл и ца 7.2

Зависимость ударной вязкости образцов полимера от температуры формы и температуры расплава при литье

№ образца

Температура, °С

Ударная вязкость, кДж/м2

литья

формы

1

175

27

15,7

2

175

67

11,0

3

175

67

12,3

Имеются данные, что предел прочности при растяжении ударопрочного полистирола при повышении температуры формы от 17 до 75 °С изменяется очень незначительно. Влияние температуры формы на механические свойства кристаллических термопластов проявляется в большей степени, чем аморфных. Как правило, механические свойства полиолефинов с ростом температуры формы повышаются. Ниже приведены данные об изменении предела текучести при растяжении полиэтилена высокой плотности в зависимости от температуры формы:

Температура формы, °С

20

40

60

80

100

Предел текучести при растяжении, МПа

29,5

30

30,5

32

32,5

Влияние температуры формы на свойства изделий из полиформальдегида показано на рис. 7.27. При повышении температуры формы увеличивается степень кристалличности, поэтому предел прочности при растяжении и модуль упругости полиформальдегида возрастают, а относительное удлинение при разрыве уменьшается. Относительное удлинение при разрыве полиформальдегида зависит также от времени выдержки под давлением, т.е. изменяется так же, как масса изделия (см. рис. 7.16). Предел прочности при растяжении и твердость полиамидов также увеличиваются при повышении температуры формы, а относительное удлинение при разрыве снижается и одновременно повышается модуль упругости (табл. 7.3). Это обусловлено повышением степени кристалличности полимера.

Технологические параметры процесса литья очень сильно влияют на усадку изделий. Это достаточно легко проследить, используя зависимость изменения плотности расплава полимера от температуры и давления. Известно, что при увеличении давления в форме плотность расплава возрастает. Например, при давлении р{ исходная точка, характеризующая состояние расплава, находится на пересечении линий давления рх и средней температуры расплава после выдержки под давлением Тср (точка а на рис. 7.28). При увеличении давления плотность полимера повышается и исходное состояние

Рис. 7.27. Зависимость прочности (о), относительного удлинения при растяжении (б) и модуля упругости изделий из полиформальдегида (в) от температуры формы

смещается в точку Ь. Поскольку в точке b плотность рр выше, чем в точке а, при охлаждении расплава под высоким давлением происходит меньшее изменение объема и усадка изделий уменьшается.

Действительно, если в уравнении (3.30) удельный объем заменим плотностью, то получаем

Таблица 7.3

Влияние температуры формы на свойства полиамидов

Полиамид

Температура

формы,

°С

Модуль

упругости,

МПА

Предел прочности при растяжении, МПа

Относительное удлинение при разрыве, X

Твердость,

МПа

Полиамид П-6

20

2450

70

100

96

120

2550

80

60

100

Полиамид П-10

20

1400

40

200

52

120

1500

50

150

60

Полиамид 610

20

1900

70

120

2200

65

70

90

Полиамид П-68

20

2700

100

120

2850

82

50

102

Рис. 7.28. Зависимость плотности расплава аморфного полимера от давления и температуры (схема к расчету усадки)

где р0 — плотность полимера при 20 °С; рр — плотность расплава полимера в форме в конце выдержки под давлением.

Из уравнения (7.23) следует, что при увеличении плотности расплава отношение рр0 возрастает и усадка уменьшается.

Рассмотрим второй случай, когда давление остается постоянным и равным pv а температура в цилиндре литьевой машины увеличивается. В этом случае средняя температура расплава в конце выдержки под давлением будет больше и равна Т' (точка с на рис. 7.28). Этому состоянию соответствует плотность р'", меньшая, чем рр в точке а. Таким образом, с ростом температуры усадка в поперечном направлении У± увеличивается, так как плотность полимера понижается. При высокой температуре ориентация уменьшается и усадка вдоль направления литья Уц понижается. По этой же причине повышается удельная ударная вязкость изделий.

То же самое происходит при повышении температуры формы. Чем выше 7, тем больше средняя температура расплава в конце выдержки под давлением и рабочая точка смещается по направлению к точке с. Однако если с повышением температуры Тр или увеличить выдержку под давлением, то усадка может остаться прежней или даже несколько уменьшиться. Действительно, если при меньшей выдержке и температуре 7V исходному состоянию соответствовала точка с, то при увеличении продолжительности выдержки при том же давлении рр рабочая точка смещается к точке а. Так как средняя температура расплава после окончания подпитки становится ниже, то усадка уменьшается.

Аналогичная картина наблюдается при увеличении размеров литника: чем больше его сечение, тем больше должно быть время выдержки под давлением, следовательно, подпитка длится дольше, расплав в форме охлаждается сильнее и усадка изделий снижается. В случае изготовления изделий с различной толщиной стенок при равной выдержке под давлением средняя температура расплава должна быть пропорциональной квадрату толщины стенки. Таким образом, с увеличением толщины изделия усадка растет значительно сильнее, чем при изменении других параметров.

Подобный анализ легко выполнить математически. Рассмотрим случай изготовления пластины толщиной 5 в форме с впускным щелевым литником. Время выдержки под давлением /в для литника прямоугольного сечения из условия нестационарной теплопроводности можно рассчитать по уравнению (7.45). За время выдержки под давлением происходит охлаждение полимера в форме, а поскольку температура по сечению изделия различна, то для расчета усадки необходимо использовать значение средней температуры. Это значение Тщ (в К) определяют с учетом формы изделия по уравнениям нестационарной теплопроводности, которые в несколько упрощенном виде приведены ниже:

• пластина

• параллелепипед

• сфера (шар)

• цилиндр

где В, 8, /, R — ширина, толщина, длина, радиус изделия, м; tBвремя выдержки под давлением, с.

Подставив значение средней температуры в уравнение (3.32), предварительно заменив /в его выражением из (7.45), находим среднее значение усадки для изделия в виде пластины при литье в форму через щелевой впускной литник:

где R — газовая постоянная; М, П, b — коэффициенты уравнения состояния.

Если проанализировать уравнение (7.28), то можно проследить зависимость изменения усадки от всех технологических параметров процесса (рф, Тр, Гф, tB), а также от размеров изделия и литников (8, h, S), от физических свойств полимера и констант уравнения состояния (М, р0, Ь, П).

Поскольку при выводе уравнения (7.28) не учитывалась ориентация макромолекул, значение усадки находится между экспери-

ср

ментально определенными значениями усадки вдоль и поперек направления течения расплава (рис. 7.29).

Значения усадки вдоль направления течения расплава У|( и в направлении, перпендикулярном течению, У± взаимосвязаны:

где Ка коэффициент анизотропии усадки.

Как уже было показано в гл. 3, усадка в поперечном направлении равна

а в продольном направлении равна

где у°д — удельный объем полимера при 20 °С, = 1 / р0; р0 — плотность полимера при температуре 20 °С; урд — удельный объем расплава полимера при давлении в форме и средней температуре по толщине стенки изделия после выдержки под давлением. Анизотропия усадки зависит от степени ориентации макромолекул, а также в значительной степени от толщины стенки изделия. Обычно ее значение изменяется в пределах ау =1,5-5-1,8. Следует отметить, что входящие в уравнения величины удельного объема полимера при температуре 20 °С и расплава в конце выдержки под давлением в форме очень заметно изменяют значение усадки, поэтому должны определяться с высокой точностью. Так, например, если использовать справочные данные значений плотности полимера пластика ЛВС, р0 = 1,044-г-1,08, то усадка изменяется в пределах 0,32— 1,37%. Расчет удельного объема полимера в зависимости от давления и температуры приведен в прил. 1.

При расчетах необходимо учитывать, что коэффициент анизотропии зависит от многих факторов, и его значения изменяются в довольно широких пределах (Аа=1,0^-2,5), поэтому используют, как правило, экспериментальные или справочные данные.

Зависимость усадки от давления (а) и температуры формы (б) при

Рис. 7.29. Зависимость усадки от давления (а) и температуры формы (б) при

литье ПЭ н.пл.:

1,5 — экспериментально найденная усадка вдоль и поперек направления литья при толщине изделия 4 мм; 2,6 — то же при толщине изделия 2 мм; 3,4 — расчетная средняя усадка для изделий толщиной 4 и 2 мм соответственно

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >