7.2 Впрыск расплава

При движении шнека вдоль цилиндра к соплу во время впрыска клапан шнека смещается, перекрывает каналы и исключает обратное течение расплава по каналам шнека. Расплав полимера под действием давления начинает течь через литниковые каналы в формующую полость формы, заполняет ее, а затем под действием давления сжимается. Так как заполнение формы происходит течение очень короткого времени (1—3 с), эту операцию называют впрыском. Вначале расплав заполняет литниковые каналы формы, а затем формующую полость, поэтому давление постепенно повышается. Изменение давления при впрыске ( рисунок 23, отрезок Оа).

Оа - заполнение формы расплавом; ab — сжатие; bс — выдержка под давлением; cd — охлаждение изделия

Рисунок 23 - Цикл-диаграмма процесса литья под давлением

При этом скорость течения принимают, исходя из производительности плунжерного гидравлического насоса литьевой машины, с учетом которой объемный расход расплава через литник равен

, (6)

где V_H — объемная производительность гидравлического насоса высокого давления узла впрыска;

R_Ш — радиус шнека пластикатора;

с — число параллельных литниковых каналов на расчетном участке;

R_п — радиус поршня узла впрыска.

Время впрыска определяют по паспортным данным или экспериментально в зависимости от скорости течения и вязкости расплава изменяется количество теплоты, выделяющейся вследствие диссипации энергии вязкого течения, и происходит дополнительный разогрев полимера. Поэтому температура после впрыска Т₂, будет равна:

, (7)

где Т— температура расплава в цилиндре литьевой машины;

Δр_м и Δр_л —перепады давления в каналах мундштука и литниках формы.

Изменение температуры при литье под давлением (рисунок 24).

1-выпускной литник, 2 -стенки формы; 3 -струя расплава; 4 -твердый слой полимера, 5 – фронт течения расплава

а – струйный; б - ламинарный

Рисунок 24 - Схема заполнения формующей полости расплавом в различных режимах

Характер заполнения формы расплавом зависит от скорости впрыска и размеров формующей полости. Так, при очень высокой скорости впрыска расплав после выхода из литников движется в формующей полости вначале зигзагообразно, (рисунок 24 а), а по мере заполнения полости формы расплавом происходит уплотнение отдельных зигзагов и струйный режим переходит в ламинарный — течение сплошным потоком (рисунок 24, б). Струйный режим возникает преимущественно в том случае, когда глубина впускного литника намного меньше формующего зазора. При литье тонкостенных изделий или впрыске расплава с невысокой скоростью заполнение формы происходит сплошным потоком, который образуется непосредственно около впускного литника. Как в первом, так и во втором режимах заполнения расплав при соприкосновении с холодными стенками формы прилипает к поверхности и на ней появляется пленка затвердевшего полимера. С одной стороны, образование пленки; несколько уменьшает глубину формующей полости, а с другой, резко снижает последующее охлаждение расплава ввиду малой теплопроводности полимера. Поскольку заполнение формы происходит с высокой скоростью, толщина образующегося твердого слоя составляет доли миллиметра и не оказывает значительного влияния на скорость течения, особенно когда литье проводится при высокой температуре расплава и формы.

Известно, что при течении расплава наибольшее напряжение сдвига образуется на стенке. Поскольку расплав у поверхности стенок быстро охлаждается, то релаксация напряжений затрудняется, поэтому в поверхностных слоях изде­лия сохраняется высокая степень ориентации макромолекул. Внутренние слои испытывают при течении меньшие напряжения сдвига и охлаждаются медленнее, поэтому в них молекулы почти не ориентированы. Таким образом, течение расплава с одновременным пристенным охлаждением обусловливает высокую степень ориентации макромолекул в формующей полости и ее неоднородность по толщине изделия. Ориентация макромолекул приводит к упрочнению изделия вдоль направления литья, однако у полимеров с жесткими цепями макромолекул вследствие неоднородности ориентации возникают большие остаточные напряжения, которые вызывают появление микротрещин или понижают прочность изделия.

Анизотропию свойств изделий можно уменьшить за счет повышения температуры расплава. При заполнении формы расплавом с повышенной температурой и, следовательно, меньшей вязкостью возникают меньшие напряжения сдвига, кроме того, ускоряются релаксационные процессы. Все это в совокупности приводит к тому, что в конце охлаждения макромолекулы полимера имеют меньшую ориентацию, чем при литье с пониженной температурой, поэтому прочность изделия в направлении литья и анизотропия свойств снижаются (рисунок 25).

1—сополимер стирола с акрилонптрилом и метилметакрнлатом; 2 — полпметилметакрилат; 3 — эмульсиоиный полистирол; 4 — блочный полистирол

Рисунок 25 - Зависимость прочности изделия (разрушающего напряжения при растяжении) вдоль направления литья от температуры расплава

Остаточные напряжения при повышении температуры также уменьшаются. Такое же влияние на степень ориентации и ее однородность по толщине изделия оказывает температура формы. На анизотропию свойств оказывают влияние габаритные размеры изделия в плоскости разъема.

Так, после выхода из питающего литника расплав растекается по ширине формующей полости, при этом происходит растяжение макромолекул в тангенциальном направлении и возникают нормальные напряжения σ_ΘΘ (рисунок 26).

а -σ_ΘΘ-нормальные напряжения; б- 1-формующий знак; 2-линия спая.

Рисунок 26 - Образование фронта расплава по ширине формующей полости формы и развитие нормальных напряжений, заполнение полости формы расплавом при наличии арматуры или формующих знаков

Чем больше площадь изделия в плоскости разъема, тем больше напряжения σ_ΘΘ и тем меньше анизотропия свойств изделия, так как эти нормальные напряжения уменьшают степень ориентации макромолекул в продольном и увеличивают в поперечном направлении.

На характер течения расплава оказывает также влияние в формующей полости знаков или арматуры. При обтекании их лоток расплава разделяется, и при слиянии этих потоков на противоположной стороне образуется линия спая рисунок 26,б. После огибания арматуры или знака два потока встречаются друг другом кромкой фронта, где расплав уже частично охлажден, дальше продолжают двигаться без взаимного перемещения, т. е. между ними отсутствует сдвиг слоев. Такой характер движение не способствует прочному соединению потоков, и изделие получается со стыковым швом, по которому при нагружении происходит разрушение. Для уменьшения влияния стыковых швов прочность изделий литье под давлением следует проводить при высоких температурах расплава и формы, а также при повышенной скорости впрыска. После заполнения формы полимером происходит дальнейшее увеличение давления до заданного значения и сжатие расплава, вследствие чего плотность его возрастает. До значения р_ф давление повышается в течение короткого времени (доли секунды) (см. отрезок ab на рисунке 23). Давление выбирается из условия достижения необходимой плотности расплава, чтобы в процессе охлаждения не происходило значительного уменьшения объема. При недостаточном сжатии увеличивается усадка изделия и могут образовываться раковины или утяжины. Поскольку при сжатии, а также при выдержке под давлением происходит дополнительное течение расплава (подпитка), то давление в форме всегда несколько ниже, чем в цилиндре машины, что обусловлено перепадом давления в каналах. Однако этот перепад давления намного меньше, чем в момент заполнения формы. Среднее давление, создаваемое в форме, р_ф можно рассчитать по уравнению:

, (8)

где р_л — давление расплава на выходе из литника;

К — коэффициент, завися­щий от размеров формующей полости, вязкости расплава и температуры формы: К = φ(Х, Ф, Тр, Тф).

С некоторым приближением для определения коэффициента К можно применить эмпирическое уравнение:

, (9)

где X — длина формующей полости от выпускного литника;

Ф — средний пе­риметр сечения формующей полости в плоскости, перпендикулярной к направлению литья;

Тр — температура расплава.

Сжатие расплава необходимо рассматривать как термодина­мический процесс. Увеличение давления расплава обусловливает изменение энтальпии системы, поэтому можем записать:

, (10)

где Vуд - удельный объем расплава при давлении р

Поскольку сжатие расплава полимера происходит в очень короткое время, то потери теплоты в окружающую среду dQ малы. Выразив через давление и считая, что dQ = 0, получаем

, (11)

где — удельный объем расплава при атмосферном давлении и температуре Т₂; β — коэффициент сжимаемости полимера

, (12)

Интегрируя данное уравнение, находим

, (13)

Постоянную интегрирования находим при граничном условии T=Т₂; р = р₀.

Тогда

, (14)

Подставив полученное значение С₁ и считая, что р₀ = 0, на­ходим

, (15)

Значение удельного объема К_уд можно найти, используя урав­нение состояния

(16)

С учетом значения Vуд определяем температуру расплава после сжатия Т₃

(17)

Давление можно принять равным его среднему значению в полости формы и выразить через удельное давление литья, которое с учетом

,(18)

где и — перепады давлений в литниках и мундштуке во время подпитки.

С учетом потерь теплоты в форму температура расплава Т₂ на противоположном от литника конце формующей полости после впрыска равна T_t. Усреднив ее по площади из уравнения Т₃ находим

, (19)