Особенности литья под давлением аморфных термопластов

При литье под давлением аморфных термопластов их переход в твердое состояние происходит без изменения фазового состояния. Основным параметром изменения надмолекулярной структуры при формовании таких материалов является степень ориентации. Ориентация полимеров происходит в процессе течения при заполнении формы и обусловлена высокоэластической деформацией участков макромолекул g'_в.э под действием сдвиговых напряжений t. Степень ориентации зависит как от высокоэластических свойств полимера, так и от параметров формования: скорости сдвига, температуры материала, давления литья.

Высокоэластическая деформация носит обратимый характер, но релаксационные процессы идут интенсивно лишь при Т_м>Т_с. Поэтому в полимере сохраняется остаточная деформация g'_э.о, связанная с «замораживанием» частично ориентированных полимерных цепей в неравновесном состоянии.

Скорость охлаждения полимера при заполнении формы неодинакова по сечению образца: быстрее охлаждаются пристенные слои, примыкающие к ним слои формируются при течении по охлажденной оболочке, что вызывает развитие в них наибольшей ориентации. Затем ориентация уменьшается, но в центральной части образца, заполняющейся при подпитке, ориентация вновь возрастает (рис. 13).



Рис. 13. Изменение ориентации полимера по толщине литьевых изделий в поперечном сечении

Неравномерное распределение ориентации материала наблюдается и по длине образца (в направлении заполнения формы). Около литника степень ориентации ниже, так как поток расплава расширяется на выходе из литника. Снижение ориентации по длине образца связано с уменьшением давления в форме Ориентация имеет двойственное влияние на эксплуатационные свойства изделий из аморфных полимеров. В направлении ориентации прочность повышается, а в перпендикулярном направлении снижается. Кроме того, образующиеся при ориентации неравномерно распределенные внутренние напряжения приводят к растрескиванию изделий под действием тепла, растворителей, появлению «серебрения», микротрещин, снижению стабильности размеров, короблению изделий.

За меру средней ориентации полимера в изделии принимают изменение его размеров при прогреве выше Т_с, т. е. тепловую усадку. Тепловая усадка Δ характеризуется соотношением

(18)

где l и l_н — длина детали до и после нагревания

Влияние технологических параметров процесса литья под давлением на степень ориентации в изделии определяется их связью с величиной g'_в.э, накапливаемой при течении, и характерными временами их релаксации Θ. На рис. 14 приведена зависимость характерных времен релаксации, высокоэластической деформации и усадки образцов из ПК от скорости сдвига. Чем выше скорость релаксации (или меньше g'), тем быстрее уменьшается^высокоэластическая деформация и ниже уровень остаточной ориентации. В области скоростей сдвига до 10 с'1 наблюдается накопление высокоэластической деформации при незначительном уменьшении характерных времен релаксации. Поэтому остаточная ориентация возрастает. В диапазоне g'=10÷10² с^-1 уменьшается ее влияние на накопление g'_э.о, а времена релаксации продолжают уменьшаться, что приводит к снижению влияния g' на изменение остаточной ориентации. При более высоких скоростях сдвига уменьшение времени релаксации преобладает над ростом высокоэластической деформации g'_в.э, что приводит к резкому снижению остаточной ориентации. А так как при литье под давлением впрыск осуществляется при скорости сдвига 10²—10⁵ с^-1, с уменьшением времени впрыска наблюдается меньшая тепловая усадка образцов (рис. 15).



Рис. 14. Зависимость характерных времен релаксации θ (1, 2), высокоэластической деформации g'_в.э (3, 4) и тепловой усадки Δ образцов ПК (5, 6) от скорости сдвига g' при 250 (-) и 280° С (---)

С ростом температуры расплава в процессе течения накапливается меньшая деформация и снижается время релаксации. Кроме того, продолжительность охлаждения материала растет (при постоянной T_ф), что приводит к увеличению продолжительности релаксации накопленной деформации. Остаточная ориентация уменьшается, это проявляется в снижении тепловой усадки с ростом температуры расплава (рис. 16). Аналогично влияют на тепловую усадку понижение скорости охлаждения (меньшая разница между T_р и T_ф) и рост толщины образца. С ростом давления литья замедляется процесс релаксации, увеличивается продолжительность подпитки, что приводит к росту деформации сдвига в процессе охлаждения, и, следовательно, увеличивается остаточная деформация (рис. 17). Ориентация однозначно определяет прочностные свойства литьевых изделий из аморфных полимеров. Так, зависимость разрушающего напряжения при растяжении σ_р от величины тепловой усадки Δ описывается уравнением

(19)

Для ПС: σ_ρο=35 МПа, D₁=2,92.10¹, D₂=1; для ПК: σ_ρο=36 МПа, D₁=9,95·10^-1, D₂=0,61.



Рис. 15. Зависимость тепловой усадки ПС (1, 2) и ПК (3, 4) от времени заполнения формы:

1,3, 4 — образец №1: LxBxh=80х5,3х3,4 мм и П/S=970м^-1; 2 — образец № 2, LxBxh=150х10х3,9 мм и П/S=1000м^-1,

Т=Т_р-Т_ф: 1, 2 — 190° С, 3 — 180° С, 4 — 170° С

Рис. 16. Зависимость тепловой усадки (Δ) ПС (1, 2) и ПК (3, 4), от температуры материала Т и скорости сдвига g' (числа у кривых) при заполнении формы.

Характеристики образцов те же, что на рис. 15.

1,3,4 — образец №1; 2 — образец № 2

Изделия общего назначения подвергаются при эксплуатации нагрузкам, действующим в различных направлениях. Ориентация в продольном направлении не должна превышать для изделий из ПС и ПММА 15—20%, а для изделий из ПК, ПСФ и ПАР 5—7%.



Рис. 17. Зависимость тепловой усадки (Δ) ПС (1) и ПК (2) от давления литья Ρ_л

Изменением конструкции изделия и формы (размещения литников, соотношения периметра и площади сечения изделия) можно обеспечить создание повышенной ориентации в направлении действия нагрузки, повышая тем самым прочностные показатели изделия. Однако в агрессивных средах такие изделия проявляют склонность к растрескиванию.

Усадка литьевых изделий из аморфных термопластов определяется временем выдержки под давлением и коэффициентом объемного термического расширения. При малых временах выдержки усадка существенно зависит от толщины изделия. Для аморфных термопластов наблюдается снижение усадки с уменьшением температуры формы, ростом давления литья.