2 Технологическая часть

2.1 Теоретические основы процесса

2.1.1 Химические и физико-химические основы процесса

Процесс формования изделий из пластмасс осуществляется, когда полимеры находятся преимущественно в вязкотекучем состоянии и лишь в некоторых случаях (пневмовакуумное формование) – в высокоэластическом. При охлаждении изделий полимер переходит в твердое агрегатное состояние в результате стеклования или кристаллизации. Переход из одного физического состояния в другое, а также процессы плавления и кристаллизации происходят при определенных значениях температур, знание и использование которых необходимо при выборе режимов переработки полимеров. Так, в зависимости от температуры стеклования и плавления (текучести) изменяются время охлаждения изделия, температура формы и рабочих узлов литьевых машин. Большое практическое значение имеют такие характеристики, как скорость кристаллизации, теплота плавления, а также изменение размеров и конфигурации структурных образований кристаллизующихся полимеров в зависимости от условий формования и охлаждения изделий.

Физическое состояние термопластов. Термопласты могут находиться в трех физических состояниях: твердом (кристаллическом или стеклообразном), высокоэластическом и вязкотекучем. Способность термопластов переходить в вязкотекучее состояние позволяет перерабатывать их литьем под давлением и другими методами. Для правильного выбора метода и условий переработки важно знать особенности поведения термопластов во всех физических состояниях.

Особую роль в процессе переработки термопластов играют условия возникновения и развития деформации, поскольку основной целью переработки является придание термопласту определенной формы, а это, естественно, связано с деформацией полимера.

Температура перехода из одного состояния в другое зависит от условий опыта, от скорости деформации, от скорости нагревания и охлаждения, и величины действующей силы. Поэтому не существует определенной температуры перехода из одного состояния в другое, а имеется некоторый интервал температур, в котором происходит постоянное изменение свойств.

Эти интервалы называются интервалом стеклования и интервалом появления текучести. У кристаллических полимеров переход из кристаллического в высокоэластическое или вязкотекучее состояние определяется температурой плавления (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Термомеханические кривые аморфного (1) и кристаллического (2) полимеров

При нагревании аморфного полимера и воздействии постоянной нагрузки на термомеханической кривой четко просматриваются три физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее (рис.2.1). При температуре ниже температуры стеклования (Т_с) аморфный полимер находится в твердом агрегатном состоянии, при этом сегменты макромолекул зафиксированы в пространстве и деформация происходит за счет изменения валентных углов между атомами [1, с. 10].

Способность полимеров переходить в стеклообразное состояние позволяет достигать определенной конструкционной жесткости изделий и применять их при стеклования является нижней границей, до которой целесообразно проводить охлаждение изделия после формования его в процессе переработки

полимеров.

Температура плавления как определенная характеристика отсутствует у кристаллических полимеров. При охлаждении кристаллизующихся полимеров за счет совместной упорядоченной укладки отрезков макромолекул происходит образование структур, что затрудняет переход их из одной конформации в другую. Вследствие этого гибкость макромолекул в обычных условиях проявиться не может и высокоэластичность исчезает (рис.2.1). Высокоэластичность возникает у этих полимеров только при температурах близких к температуре плавления. Таким образом, высокоэластическое состояние у кристаллизующихся полимеров находится между температурой плавления (Т_пл) и температурой текучести (Т_т) и зависит в значительной степени от молекулярной массы и скорости охлаждения [1, с.11].

Теплофизические свойства термопластов. Теплофизические свойства термопластов играют важную роль в процессе литья под давлением. Они имеют определенное значение на таких стадиях процесса литья, как нагревание и охлаждение. Скорость распространения температуры в материале при его нагреве зависит не только от теплофизических характеристик, но и от плотности; чем выше теплопроводность, тем быстрее происходит передача тепла в материале; чем ниже теплопроводность, тем меньше требуется тепла для повышения температуры. При нагревании некоторых полимеров тепло расходуется не только на повышение температуры, но и на изменение их агрегатного состояния. Так, кристаллические полимеры при нагревании плавятся, а дополнительное количество тепла на это называют теплотой плавления.

Кристаллические полимеры по сравнению с аморфными обладают не только более высокой удельной теплоемкостью, но и большей энтальпией (теплосодержанием) (рис.2.2). Время затвердевания расплава термопласта очень важно при процессе литья.

1 – кристаллический полимер; 2 - аморфный

Рисунок 2.2 – Зависимость удельной теплоемкости от температуры

Реологические свойства расплавов термопластов. Для литья под давлением важнейшее значение имеют реологические свойства расплавов полимеров, так как они определяют технологию, конструктивное оформление процесса литья под давлением и свойства получаемых изделий. Характер течения жидкостей оценивается с помощью зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига или скорости деформации. Эта зависимость может быть представлена графически или в виде аналитической функции - реологическим уравнением состояния. Расплавы полимеров обычно являются псевдопластичными жидкостями, у которых вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига или напряжения сдвига. Течение таких систем описывается уравнением:

(2.1)

где τ- напряжение сдвига; γ — скорость сдвига; κ - коэффициент, характеризующий меру консистенции расплава; n - показатель степени, характеризующий степень отклонения закономерности течения от ньютоновского закона [1, с.40].

Наиболее полные реологические свойства расплавов полимеров при любой температуре представлены кривыми течения, характеризующими зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига, в соответствии с рис. 2.3. Кривые течения позволяют описать реологическое поведение термопластов в широком интервале температур и скоростей сдвига.

Рисунок 2.3 - Зависимость напряжения сдвига (а) и вязкости от скорости

сдвига (б)

Для псевдопластичных жидкостей характерно уменьшение вязкости с увеличением скорости сдвига (рис. 2.3 б). Проявление аномалии вязкости, в данном случае уменьшение ее с ростом скорости сдвига, объясняется тем, что с увеличением скорости течения асимметричные частицы постепенно ориентируются. При этом вязкость убывает до тех пор, пока сохраняется возможность дальнейшего ориентирования частиц, а затем зависимость напряжения от градиента скорости становится линейной, т.е. в дальнейшем течет как ньютоновская жидкость.

Технологические свойства пластических масс. Выбор методов переработки полимеров и расчет технологических параметров проводится с учетом технологических свойств материалов: текучести, влажности, времени отверждения, дисперсности, усадки и объемных характеристик. В зависимости от значений этих показателей полимеры можно считать технологичными или нетехнологичными.

Текучесть характеризует способность полимеров к вязкому течению при воздействии внешних усилий и численно равна обратной величине вязкости 1/η. Наиболее полная количественная оценка текучести может быть дана с использованием реологических характеристик, однако, применяются и другие показатели, например, показатель текучести расплава. По значению показателя

текучести расплава проводится предварительный выбор метода переработки

полимеров. Литьем под давлением можно перерабатывать полимеры с

показателем текучести расплава 1,2-15 г/10мин. Поскольку определенную конфигурацию и размеры изделий принимает в форме, когда полимер находится в расплаве с пониженной плотностью, то последующее охлаждение вызывает изменение объема полимера и соответственно уменьшение линейных размеров изделия, т.е. появление усадки [1, с.88]. Усадка У (в %) характеризует уменьшение линейных размеров изделий по отношению к размерам формующего инструмента: [1,с.88]

(2.2)

где - размер формующей полости при 20 °С;- размер изделия при 20°С.Наибольшая усадка имеет место при переработке пластмасс литьем под давлением, поскольку при этом методе формования, расплав затекает (впрыскивается) в замкнутую форму и охлаждение происходит с наружной поверхности. В случае создания недостаточного давления, охлаждение расплава обуславливает значительное уменьшение объема полимера, поэтому внутри изделия появляются пустоты или изделие имеет большую усадку. При увеличении давления, плотность расплава полимера повышается, и усадка становится меньше, а при повышении температуры усадка возрастает. При изготовлении изделий литьем под давлением, чтобы снизить усадку изделий, после заполнения формы, расплав необходимо сжать под давлением.

При транспортировании в открытой таре и при длительном хранении в сырых помещениях в полимерах может увеличиваться содержание влаги в основном за счет гигроскопичности материала (адсорбционная влага) или конденсации ее на поверхности полимера (внешняя влага). Содержание влаги определяется перед переработкой полимерных материалов. При переработке термопластичных полимеров с повышенным содержанием влаги ухудшается адгезионная способность. Поэтому при литье под давлением в изделиях могут образовываться поры и пустоты, а на поверхности серебристые полосы.

Повышенное содержание влаги снижает физико-механические свойства изделий, ухудшает их диэлектрические показатели [1, с.94].

К объемным характеристикам относятся насыпная плотность, удельный объем, а также коэффициент уплотнения.

Удельный объем - величина, характеризующая отношение объема, занимаемого пресс-порошком, к его массе. Этот показатель используется в основном для пресс-порошков или порошкообразных полимеров. Удельный объем зависит в основном от дисперсности порошка и его однородности, а также от формы частиц. Насыпная плотность - величина, обратная удельному объему. В зависимости от этих показателей рассчитывают объем загрузочных устройств, бункеров, а также отдельные размеры перерабатывающего оборудования. Особенно велико значение удельного объема при переработке пластмасс на экструзионных или литьевых агрегатах, т.к. в зависимости от насыпной плотности изменяется производительность агрегата и давление в цилиндре [1,с.95].