3.2. Технология получения изделий из пластмасс

Литье под давлением — метод формования изделий из полимер­ных материалов, заключающийся в нагревании материала до вязкотекучего состояния и передавливай и и его в закрытую литьевую форму, где материал приобретает конфигурацию внутренней по­лости формы и затвердевает. Этим методом получают изделия массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с тол­щиной стенок 1 —20 мм (чаще 3—6 мм). Для осуществления литья под давлением применяют шнековые литьевые машины, на которых устанавливают литьевые формы различной конструкции.

Основными технологическими параметрами процессов литья под давлением являются температура расплава, температура формы, давление литья, давление в форме, время вы­держки под давлением и время охлаждения.

Получение сырья

Хранение сырья

Подготовка сырья

Формование изделий

Механическая обработка

Контроль и упаковка

Рис. 28. Технологическая схема процесса литья под давлением:

1 - вагон (полувагон, цистерна); 2 - подвесная кран-балка; 3 - склад материала; 4 - вакуумная сушилка; 5 - литьевая машина; 6 - транспортер; 7 - станок ме­ханической обработки; 8 - стол упаковки; 9 - дробилка; 10 - экструдср; 11 - охлаждающая ванна; 12 – гранулятор.

Литьем под давлением перерабатываются как термопластич­ные, так и термореактивные материалы, но при этом тип материала определяет специфику физико-химических процессов, со­провождающих нагревание и перевод в твердое состояние этих видов пластмасс.

Таблица 5. Термпературные характеристики и ориентировочные технологические параметры литья под давление термопластов

Термопласт	Температурные характеристики полимеров, °С				Технологические параметры литья
	Тс	Тпл	Ткр	Тд	Траспл, °С	Тформ, °С	Рл, МПа
ПЭНП	-70	105	95	300	180 - 240	20 - 60	60 - 120
ПП	-15	160	140	280	200 - 300	20 - 70	100 - 120

Анализ процесса литья под давлением может быть проведен по следующим составляющим: перевод материала в вязкопластичное состояние → подача его в зону дозирования → накопление рас­плава → течение расплава в системе "сопло–форма" → течение расплава в каналах формы и формующей полости → формирова­ние структуры изделия.

Основные стадии процесса

Процесс литья под давлением является циклическим. Цикл со­стоит из следующих стадий: загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины и подготовка расплава (пластикация), смыкание формы, заполнение формы расплавом, выдержка под давлением в форме, выдержка без давления в форме, раскрытие формы и извлечение изделия.

Загрузка сырья проводится через загрузочный бункер и окно в цилиндре литьевой машины. В пластикационном цилиндре проводятся нагрев материала до перехода в вязкотекучее состояние, уплотнение и гомогенизация расплава. Под гомо­генизацией понимается перемешивание, приводящее к равномер­ному распределению температуры по массе, что обеспечивает рав­номерную плотность и вязкость расплава. Условия пластикации не должны приводить к заметной деструкции материала.

Необходимая температура расплава создается за счет двух ис­точников тепла: внешнего обогрева цилиндра и перехода в тепло работы сил трения, возникающих при деформировании материа­ла вращающимся шнеком. Температура расплава должна обеспе­чивать необходимую вязкость для заполнения формы, но при этом не должна протекать деструкция материала. Обычно вяз­кость расплава, необходимая для литья под давлением, достига­ется у аморфных полимеров при температуре на 100 – 150°С выше температуры стеклования, а у кристаллических полимеров, как правило, при температурах, на несколько градусов превышающих температуру плавления. Максимально возможной является тем­пература расплава на 30 – 40°С ниже, чем температура деструк­ции. Чем выше вязкость расплава материала, тем больше разница между температурой деструкции и предельной температурой рас­плава, так как при пластикации и впрыске происходит дополни­тельный нагрев материала.

Поскольку с ростом температуры снижается термостабиль­ность расплава, то необходимо учитывать, что продол­жительность пребывания материала в пластикационном цилиндре не должна быть больше времени термостабильности расплава при данной температуре.

Нагнетаемый шнеком расплав при закрытом сопле накапли­вается в зоне дозирования, и за счет развивающегося в материале давления шнек перемещается назад. Скорость отхода шнека ре­гулируется путем создания в гидроцилиндре узла впрыска противодавления. Чем больше про­тиводавление, тем выше плот­ность расплава и более одно­родна его температура. Кроме того, с ростом противодавле­ния увеличивается нагрев ма­териала в зоне дозирования за счет сдвиговых деформаций. Однако с ростом противодав­ления уменьшается пластика-ционная производительность литьевой машины, т. е. уменьшается количество материала, переводимого в расплав в единицу времени.

Заполнение формы расплавом (впрыск) начинается после под готовки необходимой дозы расплава и смыкания формы. Под действием усилия, развивающегося в гидроцилиндре, шнек движется вперед и через сопло и литниковую систему подает расплав в формующую полость. Создаваемое наконечником шнека давление затрачивается на вязкое течение расплава и входовые эффекты, обусловленные вязкоупругими свойствами в расплаве полимеров. Поэтому давление в форме существенно ниже, чем давление, развиваемое шнеком.

Температура расплава, поступающего в форму при впрыск, выше, чем температура в сопле из-за диссипаци энергии вязкого течения. В формующей полости давление снижается по мере удаления от места впуска расплава.

Дав­ление, возникающее при течении полимера в полости формы, расходуется лишь на преодоление сопротивления при его тече­нии. Разность между давлением в начале формы и в конце фор­мующей полости определяет величину потерь давления в фор­ме при ее заполнении.

Выдержка под давлением. Выдержка под давлением необходи­ма для компенсации уменьшения объема (усадки) материала в форме в результате его постепенного охлаждения. В течение вре­мени выдержки под давлением (включающего в себя и время за­полнения формы) расплав продолжает подаваться в центральную часть изделия через литниковую систему (центральный, разводя­щий и впускной литники), и давление в форме остается практи­чески постоянным. Процесс подачи рас­плава прекратится в момент затвердевания впускного литника, что соответствует охлаждению материала в литнике до темпера­туры затвердевания (на 5 – 10 °С ниже, чем температура текучести) для аморфных или до температуры кристаллизации (как правило, Т_кр на 5 – 10 °С ниже, чем Т_пл) для кристаллических термопластов. После завершения выдержки под давлением сопло отводится от литниковой втулки формы.

Охлаждение без давления завершает процесс формирования структуры изделия в форме. На этой ста­дии скорость охлаждения выше, чем в период выдержки под дав­лением. Причем чем длительнее выдержка под давлением, тем меньше разница в скорости охлаждения на последней стадии. Полная продолжительность охлаждения изделия в форме представляет собой сумму времени охлаждения под давллением (т. е. времени выдержки под давлением) и времени охлаждения без давления. Продолжительность охлаждения без давления определяет уро­вень остаточного давления в форме.

В ыдувное формование. Технологическая схема процесса экструзион-новыдувного формования полых изделий из термопластов представлена на рис. 29.

Рис. 29. Схема производства полых изделий экструзионно-выдувным формованием трубчатой заготовки из термопластов:

а – экструзия трубчатой заготовки,

б – раздув заготовки и формование изделия,

в – съем изделия.

1 – шнек, 2 – цилиндр экструдера, 3 – кран, 4 – дорн, 5 - мундштук формующей головки экструдера, 6 – трубчатая заготовка расплава полимера, 7 – полуформа, 8 – привод смыкания и размыкания полуформ, 9 – пресс-кант, 10 –изделие.

Полимерная заготовка в виде трубы 6 выдавливается в раскры­тую форму 7 через угловую головку 4, 5 экструдером 1, 2. Выдача заготовки-расплава происходит до определенной длины (поз. а). Все это время шнек 1 вращается. После этого полуформы 7 смы­каются при помощи пневмо- или гидропривода (поз. б). При смы­кании форм один конец заготовки зажимается на дорне 4, а дру­гой сваривается пресс-кантом 9 полуформы.

Сварной шов нахо­дится на дне будущего изделия. Герметизированную полимерную заготовку далее раздувают сжатым воздухом, открывая кран 3. Воздух подается во внутреннюю полость заготовки через канал в дорне. В это время происходит раздувание заготовки, которая приобретает очертания формы 7. Оформленное изделие охлажда­ется (воздухом, жидким диоксидом углерода), и форму размыкают (поз. в), удаляя изделие с помощью сжатого воздуха. Горловина изделия при этом отрывается от остающейся в головке расплав­ленной заготовки. Цикл повторяется в зависимости от массы из­делия и типа машин с частотой от нескольких секунд до несколь­ких минут.

Полые изделия применяют для упаковки пищевых, химиче­ских продуктов, технических масел, смазок, моющих и космети­ческих средств. Для этих целей применяют полые изделия в виде канистр, бидонов, туб. Этим же методом получают отдельные ви­ды детских игрушек и другие изделия ширпотреба.

Основное оборудование – это агрегат, состоящий из экструзионной машины, угловой кольцевой головки, формы, меха­низма смыкания и размыкания формы, пневмосистемы для раз­дувания заготовки.

Основной параметр, по которому классифицируются и под­бираются агрегаты – максимальный объем изделия. Существуют агрегаты, на которых можно получать изделия емкостью от 0,005 до 500 л. Большинство агрегатов имеет горизонтальное располо­жение экструдера с угловой кольцевой головкой, направленной вниз по выходу экструдата. Наряду с ними имеются и агрегаты с вертикально расположенными экструдерами. Наиболее распро­странены агрегаты с автоматическими режимами работы: экстру­зия, выдача заготовки, раздув, снятие изделия, механическая обра­ботка и т. п. С целью получения изделий большой массы и объема экструдеры снабжены емкостями – копильниками расплава. Объем копильников может быть различен и подбирается в соот­ветствии с возможностями экструдера и массой изделия. Экструдер, постоянно работая, нагнетает расплав в копильник, который располагается перед головкой. После накопления нужного объема материала в копильнике, представляющем собой материальный цилиндр, происходит быстрое выдавливание расплава из него че­рез головку. Выдавливание осуществляется плунжером, связанным с гидроприводом. По существу копильник с приводом – это плун­жерная вертикальная литьевая машина. Скорость выдавливания экструдата через головку из копильника очень высокая, поэтому заготовка, имеющая большие длину и диаметр, не успевает сильно охладиться в процессе ее выхода из формующей щели. Это и оп­ределяет целесообразность применения экструдеров с копильником для получения объемных и массивных изделий.

Основные процессы, происходящие на стадии выдачи заготов­ки, те же, что и при экструзии термопластов. Особенность заклю­чается в том, что выходящая из головки заготовка находится в воз­духе и остывание ее передней части больше, чем части, оформ­ляющей горловину изделия. Поэтому условия раздува заготовки по ее длине различны. Поскольку заготовка подается вниз из го­ловки, то вся масса полимера висит на горячей части расплава. Последнее может приводить к самопроизвольному удлинению верхней части заготовки, ее утонению и даже обрыву. В связи с этим необходимо, чтобы вязкость выдавливаемой заготовки была предельно высока для придания достаточной прочности расплаву.

Последнее достигается либо снижением температуры распла­ва, либо экструзией полимеров с большими молекулярными мас­сами. Поскольку продолжительность остывания и величина самопроизвольного деформирования заготовки зависят как от температуры, так и от времени пребывания заготовки на воздухе, то необходимо с как можно большей скоростью продавливать расплав через формующий инструмент и быстрее проводить смыкание формы и раздув заготовки. Извест­но, что слишком большая скорость течения расплава полимера, особенно при высокой вязкости, приводит к саморазогреву, ино­гда к деструкции полимера, к значительному разбуханию экстру­дата. Все эти факторы необходимо учитывать для выбора опти­мальных технологических параметров процесса.

Основными параметрами процесса являются температура экс­трузии, скорость выхода заготовки из формующей оснастки, сте­пень раздува заготовки, температура формы, время цикла, произ­водительность агрегата и др.

Таблица 6. Технологические параметры режима раздувного формования (стадия экструзии)
Параметры	ПЭНД
Температура зон цилиндра, °С:
I	Не обогревается
II	140
III	160
Температура зон формующей головки, °С:
I	140
II	125
Температура формы, °С	15-30
Давление раздувающего воздуха, ати	1-5

Физико-химические основы процесса. Спад температур при пе­реходе расплава от последней зоны цилиндра к головке обуслов­ливается требованием повышенной прочности экструдата-заготовки, которая обеспечивается увеличенной вязкостью расплава при выходе из формующей части головки. Спад температур необ­ходим также для получения изделий с меньшей разнотолщинностью. Необходимо по возможности повысить температуру формы или понизить температуру расплава, так как резкий перепад температур будет приводить к короблению изделия.

Давление воздуха при выдувании заготовки зависит от ее пер­воначальной толщины. Необходимо, чтобы усилие смыкания формы было на 20—30 % больше распорного усилия в форме во избежание ее раскрытия.

Во избежание большого остывания части экструдата, оформ­ляющей дно изделия, по сравнению с частью экструдата, оформляющей горловину, необходимо увеличивать скорость вы­хода трубчатой заготовки из головки.

Большое влияние на свойства изделий оказывают плотность и вязкость полимера. С увеличением плотности растет жесткость изделия, уменьшается газопроницаемость, но понижается удар­ная прочность. С понижением вязкости расплава улучшается глянцевитость поверхности, а шероховатость уменьшается. В то же время снижаются ударная вязкость, относительное удлинение при разрыве, сопротивление растрескиванию. С уменьшением вязкости значительно возрастает разнотолщинность изделия, так как более мягкая, расплавленная заготовка сильнее вытягивается под действием собственной тяжести. С увеличением степени раз­дува резко возрастает термическая усадка изделия.