Производство изделий из пластмасс

Механические свойства и эксплуатационные характеристики готового изделия из пластика всегда являются результатом ряда последовательных операций. Производство изделий из пластмасс начинается с их конструирования, на ранней стадии которого производит­ся выбор материала. Затем следует переработка, при которой достигаются и фиксиру­ются свойства конечного изделия из пластика. При конструировании и производстве любых пласт­массовых изделий следует всегда помнить, что материал, технологический процесс и конструктивные особенности взаимосвязаны и не могут рассматриваться без учета этой взаимосвязи. Такой подход зачастую называют правилом четырех «П»: Полимер, Переработка, Продукт, Потребление. В данной главе рассматриваются основные принципы переработки полимеров в литье под давлением. Для освещения различных явлений, происходящих в процессе получения отливки, глава разделена на четыре части: характеристики технологического процесса, реология, анизотропия и затверде­вание. В главе описаны некоторые простые физические и физико-химические экспресс-методы оценки различных свойств материала и параметров процесса, касаю­щихся конструирования и производства изделия. Более подробные математические, компьютерные расчеты и прогнозы будут приведены, посвященной описа­нию методов моделирования процессов литья пластмасс под давлением.

Характеристики процесса переработки

Для ускорения перехода от наладки оборудования в режим установившегося произ­водства необходимо изначально установить параметры технологического процесса как можно ближе к оптимальным значениям. Хотя всегда можно найти обоснован­ные рекомендации для каждого из выбранных видов материала, окончательные зна­чения параметров переработки зависят от сорта конкретного полимера, технических характеристик используемой литьевой машины, от степени износа шнека, конструк­ции изделия и пресс-формы, а также от других независимых переменных. Каж­дое из условий переработки непосредственно зависит от следующих параметров:

• свойства готового изделия из пластика;

• особенности литьевой машины;

• особенности прессформы;

• свойства материала;

• геометрия изделия из пластмасс.

Например, большая длительность процесса пластикации может оказать губи­тельное воздействие на нетермостабильный полимер. Повышение пластикационной производительности предполагает повышенные скорости плавления, для чего ис­пользуются мощные внешние нагреватели, возможности которых определяются конструкцией литьевой машины.

Вместе с тем для большинства полимерных материалов исходные условия литья хорошо известны, поскольку содержатся в таких базах данных, как, например, CAMPUS[1].

Температурные режимы

Температура, при которой перерабатывается материал, является одним из основных установочных параметров, необходимых для начала литья под давлением. Усредненные температуры процесса переработки некоторых термопла­стов по зонам нагрева узла пластикации литьевой машины, а также температуры сопла и литьевой формы.

Если установлена излишне высокая температура переработки, возможно термическое разложение материала. С другой стороны, при заниженной температуре расплава процесс может завершиться недостаточным по объему впрыском. Поэтому температура переработки должна быть установлена дос­таточно высокой для того, чтобы достичь полного расплавления материала, обеспе­чить такие вязкость и гомогенность расплава, которые необходимы для заполнения формы и получения высококачественного изделия. Следует отметить, что вязкость аморфных термопластов более чувствительна к изменениям температуры по срав­нению с частично кристаллизующимися полимерами.

При пластикации важную роль играет дисперсия значений вязкости. В данном случае ключевой переменной является скорость шнека, которая может быть вычис­лена по уравнению (3. 1):

V_inm. _Kll = RQ, (3. 1)

где R — радиус, м; Q — частота вращения шнека, с^-1.

Соотношение между скоростью и дисперсией вязкости описывается числом Бринкмана и будет представлено ниже. В табл. 3. 2 приведены диапазоны переработ­ки различных термопластов при разных температурах нагревателей, допустимом времени выдержки под нагрузкой и рекомендуемых окружных скоростях шне­ка (м/с).

Давление на расплав при впрыске и выдержке под нагрузкой в форме

Скорость и давление впрыска, как и давление выдержки под нагрузкой, являются очень важными контролируемыми установочными параметрами в литье под давле­нием. Они зависят от вида перерабатываемого материала. В табл. 3. 3 приведены не­которые рекомендуемые значения данных параметров. Например, для различных материалов требуются высокие давления и скорости литья. Высокие скорости необ­ходимы в тех случаях, когда требуется обеспечить одновременность и равномер­ность заполнения формующих полостей сложной конфигурации, а также для обес­печения равномерной степени кристалличности изделия при литье частично кри­сталлизующихся полимерных материалов. Низкие значения скорости и давления впрыска зачастую предпочтительны для получения высококачественных поверхно­стей, для исключения влияния вязкой диссипации и образования струйного течения при заполнении пресс-формы.

Данные по переработке термоэластопластов

Все термоэластопласты, могут поставляться в ви­де предварительно смешанных продуктов (концентратов). Стандартные компаун­ды для производства изделий из пластмасс, оптимизированные для конкретного использования, могут быть закуплены у по­ставщиков в гранулированном (готовом к использованию) виде. В таких случаях пе­реработчик не несет дополнительных затрат на осуществление подготовительных операций. С другой стороны, если требуется получить нестандартную продукцию, переработчик может выполнять операцию смешения и самостоятельно, например, с помощью смесителя, установленного перед экструдером и фанулятором. Такая опе­рация может быть осуществлена заранее, и полученное сырье может храниться для последующей переработки. Второй способ — совместная сушка компонентов смеси (концентратов с базовым материалом) с последующим смешением непосредственно в материальном цилиндре литьевой машины. В этом случае возникает ряд новых требований:

1. Модифицирующийся полимер или эластомер должны представлять собой частицы малого размера, обычно менее 1 мм.

2. Смазка или пластификатор должны полностью поглощаться полимером до его поступления в литьевую машину. Нагревание ускоряет процесс поглоще­ния, который можно проводить в смесителе с высоким усилием сдвига.

3. Литьевая машина должна иметь шнек либо с достаточно высоким сжатием, либо со специальной зоной смешения.

4. Длительность пластикации полимера должна быть увеличена. В машинах с возвратно-поступательным движением шнека это осуществляется за счет регулировки противопотока, который должен быть таким, чтобы шнек воз­вращался в исходное положение только за одну-две секунды перед открыти­ем формы.

Для всех подобных смесей особенно важно высококачественное диспергирова­ние ингредиентов. Любой неоднородный материал приведет к появлению брака. Ка­чество диспергирования можно контролировать компрессионным литьем тонких пленок из данного материала с их последующей проверкой на равномерность рас­пределения нерасплавленных участков.

Многие литьевые изделия окрашиваются. Для термоэластопластов окраска до­стигается их смешением с гранулированым красителем (концентратом). Концен­трат изготавливается на основе базового полимера, который должен быть пригоден для смешения с термоэластопластом, в противном случае могут возникнуть пробле­мы, связанные с разложением или расслоением расплава. Подробная информация о базовых полимерах, пригодных для смешения с каждым из типом термоэластопла­стов.

Все типы базовых термоэластопластов, содержат марки, специально предназначенные для литья под давлением. Переработка может осуще­ствляться на традиционных литьевых машинах с возвратно-поступательным движе­нием шнека, с использованием стальных форм в условиях высокого или низкого давления впрыска. Разумеется, оптимальные условия литья пластика зависят от типа полиме­ра. В общем случае условия литья термопластов, используемых в качестве вводимой эластифицирующей фазы, являются хорошей отправной точкой для переработки смесей. Более подробно исходные параметры переработки каждого типа полимеров обобщены.

Производство изделий из пластмасс зачастую используют термоэластопласты при литье армированных изде­лий из пластмасс или для двухкомпонентного литья изделий из пластмасс с участками различной твердо­сти/жесткости. Такая технология позволяет исключить последующую сборку с использованием клея, зажимов или крепежа. Конечно, необходимо, чтобы термо-эластопласт образовывал прочные химические связи в композиции с жестким по­лимером. Хороший пример подобного изделия — кухонная лопатка. Часто она имеет жесткую ручку, отлитую из ПП, и гибкую плоскость, отлитую из смеси ПП//(стирол-этпленбутадпен-стирол + смазка). Этот пример иллюстрирует общее правило — адгезия между двумя частями будет хорошей, если жесткий по­лимер в композиции аналогичен твердой фазе термоэластопласта. Это особенно справедливо для малополярных термоэластопластов. Полярные термопластич­ные эластомеры могут зачастую соединяться с несколькими другими полярными термопластами. Разрабатываются специальные марки эластомеров, пригодных для двухкомпонентного литья пластмасс с жесткими полимерами иного типа. Для получе­ния актуальной информации потребителям следует консультироваться с произ­водителями изделий из пластика и термоэластопластов. Часто адгезию можно улучшить введением в термоэластопласт небольших количеств (порядка 5%) жесткого полимера при условии их технической совместимости. Жесткие полимеры, пригодные для двухкомпонентного литья пластмасс с каждым типом термоэластопласта.

Термоэластопласты используются также при литье пластмассы со вставкой из металлов, на­пример, при производстве ножей и другой кухонной утвари. Адгезия к металлу за­частую невелика, поэтому металлическая вставка обычно имеет рифление и перед установкой в форме нагревается. Другой способ улучшения адгезии состоит в нане­сении на металл покрытия из раствора связующего.

После завершения процесса литья отливка извлекается из пресс-формы. Операция должна осуществляться без повреждения или деформации изделия, надежно и ста­бильно, во избежание «заторов» и остановки производства. Поскольку термоэласто­пласты — относительно мягкие материалы, они имеют достаточно высокое поверх­ностное трение и нередко прилипают к поверхности пресс-формы. С повышением мягко­сти изделий из пластика проблема усугубляется. Лучшие результаты, особенно для мягких изделий из пластмассы, достигаются при использовании пресс-форм с большим углом уклона стенок и каналов (не менее 3 град). Прилипания можно избежать, обработав поверхность формы паром или с помощью специального антиадгезионного покрытия (например, № 2 SPF). Другим способом является обработка поверхности пресс-формы постоянным ан­тиадгезионным покрытием, например, дисульфидом вольфрама при производстве изделий из пластмасс.