8 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 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, рисунок 33,а. Аналогично изменяется разрушающее напряжение, однако его максимум достигается при более низких значениях Т_р, что, вероятно, связано с изменением степени ориен­тации макромолекул полимера при заполнении формы расплавом.

Влияние давления на прочность аналогично влиянию темпе­ратуры, рисунок 33,б. 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. Следует отметить, что для кристаллических полимеров рассмотренные зависимости несколько видоизменяются, так как от давления и температуры зависит скорость их кристаллизации.

Как уже было отмечено, температуры расплава и формы очень сильно влияют на анизотропию свойств изделия: чем выше эти температуры, тем меньше разница в свойствах изделий вдоль и поперек направления литья. Особенно сильно на анизотропии свойств сказывается 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.

а б

а - зависимость ударной вязкости изделий из полиметилметакрилата от температуры расплава при различной температуры формы

б - зависимость разрушающего напряжения при растяжении изделий из полиметилметакрилата от давления в форме при температуре формы 30 ⁰С и различной температуре расплава

Рисунок 33

Технологические параметры процесса литья также влияют на усадку изделий, т. е. на их линейные размеры. Это достаточно легко проследить, используя зависимость плотности полимера от температуры и давления. Известно, что при увеличении давления в форме плотность расплава возрастает. Например, при давлении р₁ исходная точка, характеризу­ющая состояние расплава, нахо­дится на пересечении линий давле­ния р₁ и средней температуры расплава после выдержки под да­влением Т_ср , точка а на рисунке 34.

Рисунок 34 - Зависимость плотности расплава аморфного полимера от давления и температуры

При увеличении давления плот­ность полимера повышается и ис­ходное состояние смещается в точку b. Поскольку в точке b плотность выше, чем в точке при охлаждении расплава под высоким давлением происходит меньшее изменение объема и усадка изделий уменьшается, то получаем

У = 1 - ( )^1/3 , (21)

где р₀ — плотность полимера при 20 °С;

р_р — плотность расплава полимера в форме в конце выдержки под давлением.

Из уравнения следует, что при увеличении плотности расплава отношение р_р/р₀ возрастает и усадка уменьшается.

Рассмотрим второй случай, когда давление остается постоян­ным и равным p₁, а температура в цилиндре литьевой машины увеличивается. В этом случае средняя температура расплава в конце выдержки под давлением будет больше и равна T'_cр точка с на рисунке 34. Этому состоянию соответствует плотность р_р^///, мень­шая, чем, в точке а. Таким образом, с ростом температуры усадка увеличивается.. То же происходит при повышении температуры формы: чем выше Т_ф, тем больше средняя температура расплава в конце выдержки под давлением и рабочая точка смещается по направлению к точке с. Однако, если при повышении температуры Т_р или Т_ф увеличить выдержку под давлением, то усадка может остаться прежней или даже несколько уменьшиться. Если при выдержке и температуре Тф исходному состо­янию соответствовала точка с, то при увеличении продолжитель­ности выдержки при том же давлении р₁, рабочая точка смещается к точке а. Так как средняя температура расплава после окончания подпитки становится ниже, то усадка уменьшается.

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.

Рассмотрим случай изготовления пластины толщиной в форме с литником прямоугольного сечения. Время выдержки под давлением t_в для литника прямоугольного сечения из условия нестационарной теплопроводности равно

, (22)

где S и h — ширина и глубина выпускного литника;

Т_т — температура теку­чести (или плавления);

Tохл — температура охлаждающей поверхности формы;

Kл — коэффициент, учитывающий течение расплава во время подпитки;

а — температуропроводность расплава;

Т₃ — температура расплава после сжатия.

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 (в К) определяют с учетом формы изделия по уравнениям нестационарной

Теплопроводности

(23)

где B, , l, R-ширина, толщина, длина, радиус изделия, м² ;

tв ~ время выдержки под давлением, с.

Находим среднее значение усадки для изделия в виде пластины при литье в форму через щелевой впускной литник

, (24)

где R — газовая постоянная.

Поскольку при выводе уравнения среднего значения усадки учитывалась ориен­тация макромолекул, значение усадки У_ср находится между экс­периментально определенными значениями усадки вдоль и поперек направления течения расплава рисунок 35.

1,5-усадка при толщине изделия 4 м; 2,6- то же при 2 мм; 3,4-расчетная средняя усадка для изделий толщиной 4 мм и 2 мм

а - зависимость усадки от давления

б - зависимость от давления и температуры формы

Рисунок 35 - Зависимость усадки при литье полиэтилена низкой плотности

Значения усадки вдоль направления течения расплава У_║ и в направлении, пер­пендикулярном течению, У_┴ взаимосвязаны

К_а ⁼ У_║/ У_┴ , (25)

где К_а — коэффициент анизотропии.

Если принять, что значения усадки по толщине изделия и направлении, перпендикулярном литью, примерно равны, можем записать:

У_ср = (У_║У_┴²)^1/3, (26)

Из полученного уравнения с учетом У_ср можно определить усадку вдоль направления литья

У_║ = Уср , (27)

Однако необходимо учитывать, что коэффициент анизотропии зависит от многих факторов и его значения изменяются в довольно широких пределах (К_а = 1,0-=-2,5), поэтому используют экспе­риментальные данные.