Литейное производство изделий из термопластов сопровождается молекулярной ориентацией, которая вызывается сдвиговыми деформациями расплава полимера в процессе переработки пластмасс. Гибкие макромолекулярные цепи растягиваются, но вследствие межмолекулярных зацеплений они не успевают отрелаксировать до того, как расплав охладится и затвердеет. При пониженных температурах переработки это явление усиливается, что приводит к более высоким степеням молекулярной ориентации. Такая ориентация проявляется в жесткости и прочностных свойствах отливки. Ориентация также вызывает появление двойного лучепреломления. Молекулярная ориентация является причиной изменения оптических свойств с изменением в изделии показателя преломления, п (х,у, z). Значение показателя преломления зависит от относительной ориентации макромолекул или молекулярных осей по отношению к направлению луча света, проходящего через изделие.
Развитие анизотропии в процессе литейного производства и ориентация в полученном изделии из пластика
В процессе переработки макромолекулы полимера, частицы и волокна наполнителя ориентируются в потоке и существенно влияют на свойства изделия из пластика. Поскольку процессы переработки термопластов и реактопластов существенно различаются, они будут рассматриваться отдельно.
При прохождении поляризованного света через изделие появляются пли становятся видимыми ряд окрашенных линий, называемых изохромами (рис. 3.25). Изохромы представляют собой линии, по которым молекулярная ориентация равна; они нумеруются от нуля в области без ориентации с увеличением по мере роста ее степени. Нулевая степень ориентации обычно находится в том месте изделия, где формующая полость заполняется последней (ближе к наружным поверхностям отливки); степень ориентации возрастает в сторону места впуска.
Рис. 3.26. Ориентационное двойное лучепреломление в секторе диска схематическое изображение связи молекулярной ориентации и двойного лучепреломления.
Степень ориентации возрастает или уменьшается в зависимости от различных условий технологического процесса и особенностей перерабатываемого материала. Например, на рис. 3.27 показаны четвертинки дисков различной толщины, полученные из четырех различных материалов: ПК, АЦ, ПС и ПММА. Видно, что для всех материалов степень ориентации возрастает при уменьшении толщины. Это объясняется увеличением градиента скорости сдвига с уменьшением толщины. В последующих раздел прямой связи ориентации с градиентами скоростей.
Ориентация также зависит от способа пластикации. Так. на рис. 3.28 показаны два изделия из ПК, полученные литьем под давлением на машинах плунжерного типа. Очевидно, что оболочка, изготовленная на литьевой машине плунжерного типа, имеет гораздо более высокую степень ориентации но сравнению со второй. Испытания на прочность показали, что при литье пластмасс па плунжерной машине невозможно изготовить оболочку с достаточной стойкостью к растрескиванию.
Рис. 3.27. Изохромы в секторах дисков различной толщины из ПК, АЦ, ПС и ПММА (литейоное производство)
Рис. 3.28. Изохромы в изделиях из поликарбоната, полученные литьем пластмасс под давлением на плунжерной (слева) и шнековой (справа) литьевых машинах
Изделия из пластика на рис. 3.25,3.27 и 3.28 были получены литьем пластмасс под давлением — традиционным способом переработки термопластов на литейном производстве. Уже первые исследования показали, что существует распределение молекулярной ориентации по толщине в тонких изделиях. На рис. 3.29 показано распределение усадки в продольном и поперечном направлениях для двух разных пластин. Кривые показывают степень анизотропии, которая развивается при литье пластмасс под давлением, и влияние на нее геометрической формы изделия из пластмассы.
Примером, когда характер двойного лучепреломления в полимерном изделии может быть использован для выявления и устранения серьезных технологических проблем, является литейное производство компакт-дисков из ПК . На рис. 3.30 показано распределение двойного лучепреломления в re-плоскости диска из ПК толщиной 1,2 мм. Из рисунка видно, что самое высокое двойное лучепреломление наблюдается на поверхности диска, а самое низкое — сразу под поверхностью. В глубь диска оно снова возрастает, а затем надает где-то в области центра диска. Аналогичное явление наблюдается при литейном производстве изделий из армированных стекловолокном и жидкокристаллических полимеров , для которых характерны значения колебаний в ориентации армирующего волокна и молекулярной ориентации по толщине изделия из пластика.
Эти результаты подтверждают ранее сделанные предположения о том, что ориентация макромолекул полимера или наполнителя
в пластмассовых изделиях, полученных литьем под давлением, может быть разделена на семь слоев, схематически показанных на рис. 3.31 . Эти слои могут быть описаны следующим образом:
• два тонких, наружных слоя двухосной ориентации, статистической в плоскости диска;
• два толстых слоя с основной ориентацией в направлении потока;
• два тонких статистически ориентированных переходных слоя;
• один толстый центральный слой с основной ориентацией в радиальном направлении.
Можно предположить наличие трех механизмов, приводящих к высоким степеням ориентации в отливках при литейном производстве: фонтанный эффект течения, радиальное течение и течение, вызванное давлением выдержки.
Фонтанный эффект течения появляется из-за отсутствия условий для скольжения по стенке пресс-формы, что заставляет материал перетекать от центра отливки к поверхностям пресс-формы (рис. 3.32). Как видно из рисунка, расплав, затекающий в формующую полость, застывает при контакте с холодными стенками пресс-формы. Расплав, продолжающий поступать в полость, затекает между охлажденными слоями, заставляя застывающий слой растягиваться спереди и скручиваться на холодной стенке, где он постепенно затвердевает. Молекулы, свободно переместившиеся в переднюю часть потока, ориентированы в направлении течения, укладываются на холодной поверхности и еще имеют некоторую способность к релаксации по мере затвердевания. Фонтанный эффект течения серьезно изучался в последние годы с помощью компьютерного анализа процессов переработки . На рис. 3.33, а показаны смоделированные постоянные векторы скорости и направлений потоков при изо-
Рис. 3.30. Распределение двойного лучепреломления rz-плоскости на различных расстояниях по радиусу. Числа обозначают радиальное положение
Рис. 3.31. Ориентация наполнителя в семи слоях диска
Рис. 3.32. Механизм течения и затвердевания расплава по толщине при литье под давлением
х-координата х-координата
х-координата х-координата
Рис. 3.33. Фонтанный эффект течения: а) фактические векторы скорости и потоков; фонтанный эффект течения: о) векторы скорости и потоков относительно движущегося фронта потока
термическом заполнении пресс-формы ньютоновской жидкостью*, а на рис. 3.33, b — векторы скорости относительно движущегося фронта потока. На рис. 3.34 представлены предсказанные форма и положение следа относительно фронта потока
* Изотермический и ньютоновский анализ должны служить только для объяснения механизма фонтанного эффекта течения. При ориентации в конечных изделиях неизотермическая природа процессов литья под давлением играет важнейшую роль, и при анализе реальных процессов ею нельзя пренебрегать.
Рис. 3.34. Механизм деформации жидкого элемента в потоке при формировании границ в движущемся фронте потока
с направлениями потоков для неньюотоновской неизотермической модели жидкости. Прямоугольная метка следа вытягивается по мере движения в свободном потоке и располагается вдоль стенки прессформы в обратном направлении с повторным отрывом края, образующим V-образнуго форму. Движение наружного слоя практически прекращается при его охлаждении и застывании.
Радиальное течение является вторым механизмом, зачастую приводящим к ориентационным эффектам в направлении, перпендикулярном течению центрального слоя отливки (рис. 3.35). Предполагается, что расплав, поступающий через впускной литник, растягивается в поперечном направлении при радиальном растекании от него. Этот вид течения хорошо представлен в современных системах компьютерного анализа литейного производства.
Деформированная частица полимера
Фронт потока
Рис. 3.35. Деформация расплава полимера при литье под давлением
Наконец течение, вызванное выдержкой под давлением, при охлаждении изделия, приводит к дополнительной ориентации в конечном изделии. Этот вид течения ответственен за появление пиков на кривых рис. 3.29 и 3.30.
Переработка реактопластов
При производстве изделий из реактопластов молекулярной ориентации не происходит, так как идет поперечное сшивание при затвердевании или в ходе реакции отверждения. Реактопласт затвердевает за счет экзотермической реакции и образует жесткую сетку связанных между собой молекул.
Многие реактопласты упрочняются наполнителями, такими как стекловолокно или древесная мука. Подобные композиты перерабатываются компрессионным формованием или литьевым прессованием. Свойства полученных изделий зависят и от ориентации волокнистого наполнителя. Кроме того, на значения КТР и на усадку таких пластмасс существенно влияет содержание наполнителя. Разные виды ориентации могут привести к изменяющимся полям напряжений, что, в свою очередь, может вызвать коробление конечного изделия.
При переработке наполненных реактопластов расплав деформируется неравномерно по толщине в результате его скольжения по поверхности пресс-формы, что схематически показано на рис. 3.36. Некоторые исследователи изучали развитие ориентации волокон при компрессионном формовании. Обычно используются волокна длиной 10-25 мм, а толщина отливки составляет 1-5 мм. Поэтому ориентация волокон может быть описана в виде функции распределения плоскостной ориентации. При определенных условиях ориентация наполнителя может приводить к образованию трещин (рис. 3.37). В данном случае изделие получают литьем с двумя местами впуска, что приводит к появлению линии спая и ориентации наполнителя. Линии спая являются областью возможного образования трещин, где очень мало пли вообще нет связывающих мостиков из волокна, что снижает поперечную прочность до уровня ненаполненного связующего. Предпочтительнее было бы получать изделия литьем (рис. 3.37) через кольцевой впускной литник, что привело бы в ос-к периферическому распределению ориентации.
Фронт
Рис. 3.36. Распределение скорости при компрессионном литье пластика со скольжением между материалом и поверхностью пресс-формы
Разрушение волокна
Один из важных аспектов переработки армированных волокном полимеров - разрушение волокна, или его измельчение. Это характерно при литейном производстве, когда создаются высокие напряжения сдвига.
Рис. 3.37. Образование Л1 волокном шкиве из реактопласта
12-09-2022
03-03-2021
02-03-2021
17-02-2021
06-04-2020