≡ Меню
rus
eng
Оборудование и технологии для производства изделий из пластмасс, пресс-формы для литья, изделия из пластика
Особенности литья под давлением кристаллизующихся полимеров
При литье под давлением расплав кристаллизующегося полимера охлаждается в результате теплопередачи к более холодным стенкам литьевой формы. В различных слоях по поперечному сечению детали эффективная скорость охлаждения расплава от температуры расплава Тр до температуры кристаллизации Ткр различна. Скорость охлаждения уменьшается от стенок формы к центру детали.
Скорость охлаждения при кристаллизации оказывает существенное влияние на структурообразование полимеров. При высоких скоростях охлаждения (nохл) — больших, чем критическая скорость n2 (рис. 18, участок I), — кристаллизация идет с образованием только зачатков кристаллических форм (кристаллиты и ламелярные образования). В этом случае оптические методы анализа не показывают наличия в твердом материале признаков структурных образований. При охлаждении со скоростью меньшей, чем n1 (участок III на рис. 18), в полимере образуются развитые сферолиты. Охлаждение со скоростью, лежащей в интервале n1—n2, приводит к формированию сферолитов, размеры которых пропорциональны скорости охлаждения. Для некоторых полимеров предельные скорости кристаллизации приведены в табл. 4.
Рис. 18. Влияние скорости охлаждения nохл на форму и размеры структурных образований d:
I — ламелярные кристаллиты, II — деформированные (неразвитые) сферолиты, III — сферолиты. Пояснения в тексте
Охлаждение расплава в форме сопровождается наличием сдвигового течения, интенсивность которого характеризуется напряжением сдвига, оказывающем влияние на формирование структуры полимера (рис. 9).
Рис. 19. Влияние напряжения сдвига τ на ориентацию l':
/ — изотропные сферолиты; // — деформированные (неразвитые) сферолиты, /// — сноповидные образования. Скорость охлаждения nохл., град/с: 100—150 (1) и 20—50 (2). Пояснения в тексте
Охлаждение при низких напряжениях сдвига, мешьших чем t1, не вызывает деформации образующихся сферолитов. В сформованном изделии сохраняются симметричные сферолитные структуры. Если охлаждение сопровождается действием высоких напряжений сдвига — больших, чем t1, — происходит сильная ориентация кристаллизующегося полимера, формируются вытянутые в направлении течения потока сноповидные или стержневые образования, а сферолиты не формируются. При промежуточных напряжениях сдвига (см. табл. 4) образующиеся сферолиты деформированы. Степень ориентации зависит от прилагаемого сдвигового напряжения.
В результате сочетания различных скоростей охлаждения и сдвиговых напряжений на каждой из стадий процесса формования изделия образуется неоднородная структура изделия. Можно выделить три характерные структурные области, формирующиеся в каждом из периодов процесса литья под давлением.
Первая структурная область — поверхностная оболочка (δ; рис. 20) образуется в период заполнения формы. Ее толщина равна толщине охлажденного (неподвижного) слоя, формирующегося в течение периода заполнения формы. Вторая область — средний слой (β), который формируется в период нарастания давления (уплотнение и выдержка под давлением). Толщина этого слоя соответствует глубине продвижения фронта затвердевания в течение выдержки материала под давлением. Третья область — центральный слой (j). Он образуется в течение периода спада давления после затвердевания литника. сдвига, развивающихся при заполнении формы.
Таблица 18 4. Параметры кристаллизации некоторых термопластов
Рис. 20. Структурные слои в поперечное сечении литьевых изделий:
1 – поверхностная оболочка (заполнение); 2 – средний слой (выдержка под давлением); 3 – центр (охлаждение без давления). Пояснения в тексте
Эти зоны в сечении изделий из кристаллизующихся полимеров различаются по морфологии. Поверхностные слои характеризуются неразвитыми ориентированными кристаллическими образованиями. Средние слои формируются при более низких скоростях течения расплава и охлаждения. Поэтому они содержат малодеформированные симметричные сферолиты, размер которых увеличивается в направлении центра детали (там ниже напряжения сдвига и скорость охлаждения). Центр литьевых изделий формируется практически без сдвиговых напряжений с еще меньшими скоростями охлаждения. В этом слое сферолиты не деформированы, большого размера, практически одинакового по всему слою. Каждый из этих слоев, в зависимости от условий формования, может состоять из нескольких зон, различающихся степенью ориентации, деформирования сферолитов или их размерами.
Поверхностная оболочка может включать в себя зону ламелярных кристаллитов — образований, ориентированных в направлении течения расплава (dл.к), зону неразвитых сферолитов (dн.с), зону деформированных сферолитов (dд.с) и зону сноповидных образований (dс.о). Доля каждой зоны определяется скоростью охлаждения и уровнем напряжений сдвига, развивающихся при заполнении формы.
Механические свойства изделий из кристаллических полимеров связаны со слоевой структурой, о бразующейся при их формовании. В качестве критерия, характеризующего эксплуатационные свойства изделий из кристаллических полимеров, принимаются отношения площади отдельных структурных слоев и зон к площади поперечного сечения детали. В соответствии с таким подходом можно выделить три группы изделий, различающихся отношением площади поперечного сечения центрального слоя к площади сечения изделия (Sφ/S), а внутри каждой группы — по три подгруппы изделий, характеризующихся разной величиной отношения площади поперечного сечения зоны сноповидных образований к площади сечения изделия (Sс.о/S). Такое подразделение дает возможность прогнозировать работоспособность изделий на основе анализа их диаграмм «напряжение — деформация».
При нагружении образец или изделие проходит три стадии (рис. 21): упругая деформация и начало развития шейки, затем переход образца в шейку и на последней стадии — удлинение и ориентирование шейки до разрушения материала.
Чем выше напряжение при пределе текучести σТ и относительное удлинение при разрыве eр, тем надежнее изделие в условиях эксплуатации. Поэтому при направленном создании структуры изделий из полимерных материалов следует стремиться к тому, чтобы предел текучести при растяжении и относительное удлинение при разрыве были наибольшими.
Разрушение изделий с большой долей центрального слоя (Sφ/S>0,35) независимо от размеров поверхностного и среднего слоев начинается с развития дефектов в этом слое. После разрушения центрального слоя нагрузка ударно переходит на поверхностный слой, и изделие разрушается (рис. 22, а). Момент разрушения соответствует второму участку диаграммы «напряжение—деформация».
Для изделий с малой долей центрального слоя (Sφ/S<0,25) характер разрушения и уровень механических свойств определяются структуройи размерами поверхностного слоя. Чем больше доля зоны с ориентированными сноповидными образованиями, тем выше предел текучести при растяжении и разрушающее напряжение при растяжении. Если Sс.о/S<0,25, то основная нагрузка при деформировании воспринимается поверхностным слоем. В результате его разрушения образуются концентраторы напряжения, приводящие к разрушению всего изделия. Но для эластичных материалов, например ПО, при разрушении оболочки изделие продолжает деформироваться вплоть до третьего участка кривой «напряжение — деформация» (рис. 22, б).
Рис. 21. Диаграмма «напряжение — деформация» для полимерного материала. Пояснения в тексте
Рис. 22. Диаграммы растяжения и механика разрушения литьевых изделий (--- – области разрушения изделий):
1 – поверхностная оболочка; 2 – центр; 3 – средний слой; 4 – зона сноповидных образований; I, II, III – стадии деформирования;
a – Sc.o/S = 0; б – 0 < Sc.o/S<0,25; в – Sc.o/S ³ 0,25
Рис. 23. Диаграмма «напряжение — деформация» полимерных образцов с высокоразвитой ориентированной структурой
При условии Sφ/S<0,25, а Sс.о/S>0,28÷0,3 полимер имеет высокий предел текучести при растяжении, а напряжение при разрыве увеличивается по сравнению с паспортным более чем в 1,5 — 2 раза.
Если Sс.о/S»(0,9÷1,0), то изделия характеризуются высокими напряжениями при пределе текучести, при разрыве и высокой ударной прочностью. В этом случае на кривой «напряжение—деформация» практически отсутствует второй участок. Такая структура образуется при формовании тонкостенных изделий с высокими скоростями впрыска и при больших скоростях охлаждения (рис. 23).
Влияние технологических параметров литья под давлением на слоевую структуру изделий проявляется в изменении характера структурных образований, размеров слоев и зон, а в результате — и во влиянии на свойства изделий. Толщина поверхностного слоя δ уменьшается с ростом температуры расплава и температуры формы; увеличение времени заполнения формы приводит к ее росту (рис. 24, а) Толщина среднего слоя β уменьшается с повышением температуры расплава, температуры формы и времени ее заполнения. Повышение давления и времени выдержки под давлением приводит к увеличению толщины среднего слоя (рис. 24, б).
Рис. 24. Влияние температур материала Тр и формы Тф, скорости течения расплава V и давления Р на толщину поверхностного слоя d (а), среднего слоя b (б) и центрального слоя j (в)
Рис. 25. Влияние температур материала Тр и формы Тф, времени заполнения формы tз и давления Ρ на толщину зоны сноповидных образований dс.о
Центральный слой φ увеличивается с ростом температуры материала и формы, практически не зависит от времени заполнения формы (рис. 18.24, в). Давление почти не влияет на толщину этого слоя.
Размеры зон поверхностного слоя также связаны с технологическими параметрами. Толщина зоны ламелярных кристаллитов dл.куменьшается с повышением температуры расплава и формы, но практически не зависит от других параметров (рис. 25, а) Размер зоны сноповидных образований dс.ο уменьшается при увеличении температуры расплава и температуры формы, растет с увеличением времени впрыска и слабо зависит от давления (рис. 25, б). В табл 18.5 приведены рекомендации по изменению технологических параметров литья под давлением в целях регулирования свойств изделий. Эти рекомендации разработаны на основе анализа влияния технологии литья под давлением на свойства таких аморфных полимеров, как ПС, ПК, ПММА, ПСФ, а также кристаллических — ПЭНП, ПЭВП, ПП, ПА-6, ПА-12, ПА-610, сополимер формальдегида, ПЭТФ, ПБТ.
Таблица 5. Влияние технологических параметров литья под давлением на эксплуатационные свойства термопластов в изделиях
Обозначения: П –повышение показателя с увеличением параметров ( Тр,Тф,tз,Р, tвпд); У – уменьшение показателя с увеличением данных параметров; Н – несущественное влияние.
Скорость охлаждения при кристаллизации оказывает существенное влияние на структурообразование полимеров. При высоких скоростях охлаждения (nохл) — больших, чем критическая скорость n2 (рис. 18, участок I), — кристаллизация идет с образованием только зачатков кристаллических форм (кристаллиты и ламелярные образования). В этом случае оптические методы анализа не показывают наличия в твердом материале признаков структурных образований. При охлаждении со скоростью меньшей, чем n1 (участок III на рис. 18), в полимере образуются развитые сферолиты. Охлаждение со скоростью, лежащей в интервале n1—n2, приводит к формированию сферолитов, размеры которых пропорциональны скорости охлаждения. Для некоторых полимеров предельные скорости кристаллизации приведены в табл. 4.
Рис. 18. Влияние скорости охлаждения nохл на форму и размеры структурных образований d:
I — ламелярные кристаллиты, II — деформированные (неразвитые) сферолиты, III — сферолиты. Пояснения в тексте
Охлаждение расплава в форме сопровождается наличием сдвигового течения, интенсивность которого характеризуется напряжением сдвига, оказывающем влияние на формирование структуры полимера (рис. 9).
Рис. 19. Влияние напряжения сдвига τ на ориентацию l':
/ — изотропные сферолиты; // — деформированные (неразвитые) сферолиты, /// — сноповидные образования. Скорость охлаждения nохл., град/с: 100—150 (1) и 20—50 (2). Пояснения в тексте
Охлаждение при низких напряжениях сдвига, мешьших чем t1, не вызывает деформации образующихся сферолитов. В сформованном изделии сохраняются симметричные сферолитные структуры. Если охлаждение сопровождается действием высоких напряжений сдвига — больших, чем t1, — происходит сильная ориентация кристаллизующегося полимера, формируются вытянутые в направлении течения потока сноповидные или стержневые образования, а сферолиты не формируются. При промежуточных напряжениях сдвига (см. табл. 4) образующиеся сферолиты деформированы. Степень ориентации зависит от прилагаемого сдвигового напряжения.
В результате сочетания различных скоростей охлаждения и сдвиговых напряжений на каждой из стадий процесса формования изделия образуется неоднородная структура изделия. Можно выделить три характерные структурные области, формирующиеся в каждом из периодов процесса литья под давлением.
Первая структурная область — поверхностная оболочка (δ; рис. 20) образуется в период заполнения формы. Ее толщина равна толщине охлажденного (неподвижного) слоя, формирующегося в течение периода заполнения формы. Вторая область — средний слой (β), который формируется в период нарастания давления (уплотнение и выдержка под давлением). Толщина этого слоя соответствует глубине продвижения фронта затвердевания в течение выдержки материала под давлением. Третья область — центральный слой (j). Он образуется в течение периода спада давления после затвердевания литника. сдвига, развивающихся при заполнении формы.
Таблица 18 4. Параметры кристаллизации некоторых термопластов
| Термопласт | Предельные скорости охлаждения при кристаллизации, град/с | Предельные напряжения сдвига, МПа | Удельная теплота кристаллизации, кДж/кг | Температура кристаллизации, °С | ||||
| n1 | n2 | t1 | t1 | min | max | начало | конец | |
| ПЭВП | 0,1-0,3 | 60-80 | 0,005-0,008 | 0,002-0,003 | – | 242 | 140 | 115 |
| ПП | 4-4,5 | 2100-2300 | 0,07-0,09 | 0,28-0,31 | – | 108 | 150 | 129 |
| ПА-12 | 0,6-0,9 | 220-280 | 0,18-0,2 | 0,4-0,5 | 54 | 67 | 157 | 133 |
| ПА-6 | 2-4 | 190-210 | 0,25-0,28 | 0,68-0,72 | 75 | 100 | 186 | 145 |
| ПА-610 | 3,8-4,2 | 180-190 | 0,1-0,12 | 0,34-0,36 | 49 | 59 | 195 | 161 |
| СФД | 50-56 | 940-1000 | 0,09-0,11 | 0,35-0,4 | – | 161 | 148 | 130 |
Рис. 20. Структурные слои в поперечное сечении литьевых изделий:
1 – поверхностная оболочка (заполнение); 2 – средний слой (выдержка под давлением); 3 – центр (охлаждение без давления). Пояснения в тексте
Эти зоны в сечении изделий из кристаллизующихся полимеров различаются по морфологии. Поверхностные слои характеризуются неразвитыми ориентированными кристаллическими образованиями. Средние слои формируются при более низких скоростях течения расплава и охлаждения. Поэтому они содержат малодеформированные симметричные сферолиты, размер которых увеличивается в направлении центра детали (там ниже напряжения сдвига и скорость охлаждения). Центр литьевых изделий формируется практически без сдвиговых напряжений с еще меньшими скоростями охлаждения. В этом слое сферолиты не деформированы, большого размера, практически одинакового по всему слою. Каждый из этих слоев, в зависимости от условий формования, может состоять из нескольких зон, различающихся степенью ориентации, деформирования сферолитов или их размерами.
Поверхностная оболочка может включать в себя зону ламелярных кристаллитов — образований, ориентированных в направлении течения расплава (dл.к), зону неразвитых сферолитов (dн.с), зону деформированных сферолитов (dд.с) и зону сноповидных образований (dс.о). Доля каждой зоны определяется скоростью охлаждения и уровнем напряжений сдвига, развивающихся при заполнении формы.
Механические свойства изделий из кристаллических полимеров связаны со слоевой структурой, о бразующейся при их формовании. В качестве критерия, характеризующего эксплуатационные свойства изделий из кристаллических полимеров, принимаются отношения площади отдельных структурных слоев и зон к площади поперечного сечения детали. В соответствии с таким подходом можно выделить три группы изделий, различающихся отношением площади поперечного сечения центрального слоя к площади сечения изделия (Sφ/S), а внутри каждой группы — по три подгруппы изделий, характеризующихся разной величиной отношения площади поперечного сечения зоны сноповидных образований к площади сечения изделия (Sс.о/S). Такое подразделение дает возможность прогнозировать работоспособность изделий на основе анализа их диаграмм «напряжение — деформация».
При нагружении образец или изделие проходит три стадии (рис. 21): упругая деформация и начало развития шейки, затем переход образца в шейку и на последней стадии — удлинение и ориентирование шейки до разрушения материала.
Чем выше напряжение при пределе текучести σТ и относительное удлинение при разрыве eр, тем надежнее изделие в условиях эксплуатации. Поэтому при направленном создании структуры изделий из полимерных материалов следует стремиться к тому, чтобы предел текучести при растяжении и относительное удлинение при разрыве были наибольшими.
Разрушение изделий с большой долей центрального слоя (Sφ/S>0,35) независимо от размеров поверхностного и среднего слоев начинается с развития дефектов в этом слое. После разрушения центрального слоя нагрузка ударно переходит на поверхностный слой, и изделие разрушается (рис. 22, а). Момент разрушения соответствует второму участку диаграммы «напряжение—деформация».
Для изделий с малой долей центрального слоя (Sφ/S<0,25) характер разрушения и уровень механических свойств определяются структуройи размерами поверхностного слоя. Чем больше доля зоны с ориентированными сноповидными образованиями, тем выше предел текучести при растяжении и разрушающее напряжение при растяжении. Если Sс.о/S<0,25, то основная нагрузка при деформировании воспринимается поверхностным слоем. В результате его разрушения образуются концентраторы напряжения, приводящие к разрушению всего изделия. Но для эластичных материалов, например ПО, при разрушении оболочки изделие продолжает деформироваться вплоть до третьего участка кривой «напряжение — деформация» (рис. 22, б).
Рис. 21. Диаграмма «напряжение — деформация» для полимерного материала. Пояснения в тексте
Рис. 22. Диаграммы растяжения и механика разрушения литьевых изделий (--- – области разрушения изделий):
1 – поверхностная оболочка; 2 – центр; 3 – средний слой; 4 – зона сноповидных образований; I, II, III – стадии деформирования;
a – Sc.o/S = 0; б – 0 < Sc.o/S<0,25; в – Sc.o/S ³ 0,25
Рис. 23. Диаграмма «напряжение — деформация» полимерных образцов с высокоразвитой ориентированной структурой
При условии Sφ/S<0,25, а Sс.о/S>0,28÷0,3 полимер имеет высокий предел текучести при растяжении, а напряжение при разрыве увеличивается по сравнению с паспортным более чем в 1,5 — 2 раза.
Если Sс.о/S»(0,9÷1,0), то изделия характеризуются высокими напряжениями при пределе текучести, при разрыве и высокой ударной прочностью. В этом случае на кривой «напряжение—деформация» практически отсутствует второй участок. Такая структура образуется при формовании тонкостенных изделий с высокими скоростями впрыска и при больших скоростях охлаждения (рис. 23).
Влияние технологических параметров литья под давлением на слоевую структуру изделий проявляется в изменении характера структурных образований, размеров слоев и зон, а в результате — и во влиянии на свойства изделий. Толщина поверхностного слоя δ уменьшается с ростом температуры расплава и температуры формы; увеличение времени заполнения формы приводит к ее росту (рис. 24, а) Толщина среднего слоя β уменьшается с повышением температуры расплава, температуры формы и времени ее заполнения. Повышение давления и времени выдержки под давлением приводит к увеличению толщины среднего слоя (рис. 24, б).
Рис. 24. Влияние температур материала Тр и формы Тф, скорости течения расплава V и давления Р на толщину поверхностного слоя d (а), среднего слоя b (б) и центрального слоя j (в)
Рис. 25. Влияние температур материала Тр и формы Тф, времени заполнения формы tз и давления Ρ на толщину зоны сноповидных образований dс.о
Центральный слой φ увеличивается с ростом температуры материала и формы, практически не зависит от времени заполнения формы (рис. 18.24, в). Давление почти не влияет на толщину этого слоя.
Размеры зон поверхностного слоя также связаны с технологическими параметрами. Толщина зоны ламелярных кристаллитов dл.куменьшается с повышением температуры расплава и формы, но практически не зависит от других параметров (рис. 25, а) Размер зоны сноповидных образований dс.ο уменьшается при увеличении температуры расплава и температуры формы, растет с увеличением времени впрыска и слабо зависит от давления (рис. 25, б). В табл 18.5 приведены рекомендации по изменению технологических параметров литья под давлением в целях регулирования свойств изделий. Эти рекомендации разработаны на основе анализа влияния технологии литья под давлением на свойства таких аморфных полимеров, как ПС, ПК, ПММА, ПСФ, а также кристаллических — ПЭНП, ПЭВП, ПП, ПА-6, ПА-12, ПА-610, сополимер формальдегида, ПЭТФ, ПБТ.
Таблица 5. Влияние технологических параметров литья под давлением на эксплуатационные свойства термопластов в изделиях
| Термопласт | I группа свойств | |||||||||||||||||||
| Технологическая усадка | Тепловая усадка (ориентация) | Размерная стабильность | Стабильность формы изделий | |||||||||||||||||
| Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | |
| Аморфный | У | П | Н | У | У | У | У | П | П | П | П | П | У | У | У | П | П | П | У | У |
| Кристаллический | У | П | Н | У | У | У | У | П | П | П | П | П | У | У | У | П | П | П | У | У |
| Термопласт | II группа свойств | |||||||||||||||||||
| sтр | sр | Ударная вязкость | eр | |||||||||||||||||
| Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | |
| Аморфный | П | П | Н | Н | Н | У | У | П | П | П | У | У | П | П | П | У | У | П | П | П |
| Кристаллический | П | П | У | Н | Н | |||||||||||||||
| при Sс.о/S = 0 | У | У | П | П | П | У | У | П | П | П | У | У | П | П | П | |||||
| при Sс.о/S > 0 | У | У | П | П | П | |||||||||||||||
| Термопласт | III группа свойств | ||||||||||||||
| Стойкость к растрескиванию | Теплостойкость | Морозостойкость | |||||||||||||
| Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | Тр | Тф | tз | P | tвпд | |
| Аморфный | П | П | У | У | У | П | П | У | У | У | У | У | П | Н | Н |
| Кристаллический | П | П | Н | У | У | П | П | У | У | У | У | У | П | Н | Н |
Обозначения: П –повышение показателя с увеличением параметров ( Тр,Тф,tз,Р, tвпд); У – уменьшение показателя с увеличением данных параметров; Н – несущественное влияние.
Если вас заинтересовала информация, изложенная в данной статье, вы можете:
Позвонить:
Рекомендуем посмотреть
Ещё из раздела Литье под давлением
Процесс литья под давлением является циклическим Цикл состоит из следующих стадий загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины и подготовка расплава (пластикация), смыкание формы, заполнение формы расплавом, выдержка под давлением в ...
Расчет проводят, задавая температуру расплава материала T р , температуру формы T ф и объемную скорость впрыска Q (или время заполнения). При этом исходят из требований, предъявляемых к качеству изделий по показателям размерной точности, прочностным ...
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 ...
© 2021 Пластик Текнолоджиз
ул. Бабушкина, 8А
220024, г. Минск, Республика Беларусь
220024, г. Минск, Республика Беларусь
Сайт работает на платформе Nestorclub.com