Литейное производство

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