Список тематических статей

Литье под давлением

Литье под давлением, называемое также инжекцией или шприцгусом – наиболее производительный метод получения высококачественных изделий из пластмасс.

Гранулы полимера размягчаются в нагревательном (инжекционном) цилиндре литьевой машины до вязкотякущего состояния, и полученный расплав впрыскивается поршнем через мундштук (форсунку) соплом, литниковый и разводящие каналы в гнезда охлаждаемой прессформы, которая после этого немного отодвигается от сопла во избежание теплообмена между ними. Расплав охлаждается в гнездах и затвердевает. Затем прессформа размыкается, и оформленное изделие выталкивается из нее.

Процесс оформления материала в изделие, получаемое с высокой степенью точности, протекает чрезвычайно быстро: один цикл – за 20-30 секунд, а в быстроходных машинах – за 3-5 секунд.

Все операции литья под давлением автоматизированы.

На литьевых машинах обычно перерабатывают термопласты.

Основные закономерности

Параметры, от которых в основном зависит качество отлитого изделия, следующие: температура расплава, температура прессформы, удельное давление инжекции (расплава) и продолжительность выдержки под давлением.

Температура расплава определяет его вязкость, плотность и во многих случаях структуру.

Кристаллические полимеры при нагревании переходят в аморфное состояние, что сопровождается их расширением, кроме того, происходит термическое расширение материала (например, полистирол при нагревании до 232^оС увеличивает объем на 9%).

Слишком высокая температура расплава может привести к деструкции полимера. Это вызывает понижение прочности изделия, а также частичное обугливание массы и газовыделение. При повышенной температуре наблюдается окисление ПЭ и некоторых других полимеров кислородом воздуха, приводящее к частичной сшивке, снижению эластичности и другим нежелательным последствиям.

При охлаждении расплава вначале остывает и сжимается его наружный слой. В связи с низкой теплопроводностью полимеров соседний слой охлаждается значительно позже. Это приводит к образованию усадочных  напряжений. Следовательно, при холодных стенках прессформы величина усадочных напряжений будет больше.

Структурные изменения, происходящие при охлаждении расплава в прессформе, оказывают влияние на физико-механические свойства изделий. ПЭ, ПА и другие кристаллические полимеры в той или иной степени восстанавливают кристаллическую структуру, что сопровождается значительной усадкой. Например, плотность кристаллической фазы ПЭ равна 1, а аморфной 0,84 г/см³, следовательно, кристаллизация ПЭ сопровождается значительным уменьшением объема (помимо термического сжатия). Быстрое охлаждение кристаллических полимеров приводит к тому, что большая часть аморфной фазы остается незакристаллизованной.

При хранении и эксплуатации изделий может происходить самопроизвольный переход аморфной структуры в кристаллическую (например, для ПЭ наблюдалось повышение кристалличности на 6% за 1300 суток). Это сопровождается соответствующим изменением размеров и механических свойств изделий.

Наряду с усадочными напряжениями имеются ориентационные напряжения, вызванные ориентирующим действием течения на макромолекулы полимера. Слой расплава, расположенный у стенки прессформы, охлаждается и замедляет свое движение, в то время как соседний слой продолжает двигаться с большей скоростью. Взаимодействие между этими слоями приводит к распрямлению молекул и их ориентации в направлении потока. При отвердевании полимера возникают так называемые «замороженные» напряжения, величину которых можно  значительно уменьшить, повышая температуру стенок прессформы и увеличивая скорость ее заполнения расплавом. На практике обычно впрыскивают расплав в слегка нагретые – чаще всего до 50-70^оС – прессформы.

Нередко изделие подвергают отжигу: нагревают до температуры, при которой деформация еще не происходит, и затем медленно охлаждают. Отжиг до температуры более низкой, чем температура стеклования, способствует снятию или более равномерному распределению усадочных напряжений, но не влияет на ориентационные напряжения, возникающие, как известно, при температурах, средних между температурами стеклования и текучести.

Усадочные напряжения часто приводят к растрескиванию изделий, особенно при наличии арматуры, так как термический коэффициент расширения полимеров в несколько раз выше, чем металлической арматуры.

Давление, оказываемое на расплав, должно быть достаточным для того, чтобы он проталкивался внутри инжекционного цилиндра и через сопло в прессформу, а также для заполнения прессформы при требуемой текучести полимера. Излишнее давление повышает расход энергии и ускоряет износ машины и прессформы.

Величина удельного давления инжекции определяется вязкостью расплава, которая зависит от молекулярного веса и температуры. Чем меньше вязкость расплава, тем ниже удельное давление. Увеличив площади сечения литниковых и разводящих каналов и диаметр сопла, также можно уменьшить удельное давление, но в этом случае увеличивается литник.

Характер изменения вязкости полимера при повышении температуры в значительной степени зависит от структуры. Полимеры аморфной структуры, например ПС и эфироцеллюлозные этролы, сохраняют пластичность в довольно широком температурном интервале (30-40^оС и выше), тогда как полимеры с высокой степенью кристалличности, например ПЭ и многие ПА, приближаются к капельно-жидкому состоянию при узкой температурной зоне пластичности (5-7^оС). Поэтому регулирование температуры литья кристаллических полимеров должно быть более точным.

Передача тепла от нагретой стенки инжекционного цилиндра полимерам затрудняется вследствие низкой температуропроводности полимеров, значение которой (в м²/час) рассчитывается по формуле:

α=λ / ρс

λ – коэффициент теплопроводности, ккал/(м*ч*ºС);ρ – плотность, кг/м³;с – удельная теплоемкость полимера, ккал/(кг*ºС).

Теплопроводность полимеров в десятки и сотни раз ниже теплопроводности металлов.

Теплоемкость полимеров увеличивается при нагревании, причем особенно сильно возрастает для кристаллических полимеров при их плавлении (в связи с переходом из кристаллического в аморфное состояние).

Во избежание перегревания разность температур между стенкой цилиндра и полимером обычно не больше 40-50ºС. При таком небольшом температурном напоре для прогрева массы требуется значительная поверхность теплопередачи.

Полимеры в условиях переработки литьем под давлением имеют заметную сжимаемость. Например, ПС при 230ºС и 1115 кгс/см² – на 1%. Следовательно, с увеличением давления масса отлитого изделия тоже увеличивается. Усадка при этом уменьшается и прочность изделия повышается. В этом случае, когда применяется повышенное давление инжекции, извлечение изделия из прессформы может быть затрудненно.

Изменение давления в прессформе за цикл литья вначале соответствует движению полимера до прессформы – избыточное давление в ней отсутствует. Далее расплав заполняет прессформу – давление увеличивается. Затем осуществляется уплотнение расплава в прессформе – давление после ее заполнения повышается за счет дополнительной подачи расплава. Затем, вследствие охлаждения происходит уменьшение объема расплава, сопровождающееся падением давления, которое компенсируется добавочной подачей расплава (выдержкой под давлением). Потом происходить частичное вытекание незатвердевшего расплава из прессформы – давление уменьшается (шнек движется назад). Затвердевший материал закупоривает литниковый канал, и вытекание прекращается. Оканчивается цикл литья отвердеванием изделия.

С увеличением длительности рабочего шнека увеличивается степень уплотнения и уменьшается количество расплава, вытекающего из прессформы. 

Гладкова Наталья