Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)

Основная особенность моделей второго приближения заклю­ чается в необходимости использования численных методов интегри­ рования дифференциальных уравнений движения и энергетиче­ ского баланса и, следовательно, в применении цифровых электрон­ но-вычислительных машин.

Полученные в результате расчета параметры процесса каландрования используются в дальнейшем для выбора величины ком­ пенсирующих прогиб валков воздействий, с помощью которых удается получить изделие с заданной величиной разнотолщинности.

Литература

1.Белозеров Н. В. Технология резины. М., «Химия», 1965. 365 с.

2.Penn W. S. PVC Technology. London, Maclaren and Sons, 1962. 273 p.

3.Meineeke E. In: Encyclopedia of Polymer, Science and Technology. N. Y., In­ terscience Publ., 1966, v. 5, p. 802—831.

4.Лукач 10. E., Рябинин Д. Д., Метлов Б. Н. Валковые машины для перера­

12.Gaskell R. £., J. Appl. Meehan., 1950, v. 17, p. 334—341.

13.Ardichvilli (7., «Kautschuk», 1938, Bd. 14, S. 138.

14.Bergen J. 7\, Scott G. W., J. Appl. Meehan., 1951, v. 18, p. 101.

15.Маршалл Д. И. В кн.: Переработка термопластичных материалов. Под ред. Э. Бенхардта. М., Госхимиздат, 1965, с. 428—456.

16.Мак-Келви Д. М. Переработка полимеров. М., «Химия», 1965. 442 с.

17.Торнер Р. В. Основные процессы переработки полимеров. М., «Химия», 1972. 456 с.

18.Perlberg S. £., Mod Plast., 1963, v. 41, N° 1, p. 883—889.

19.Петрушанский В. Ю. и др. В кн.: Машины и технология переработки поли­ меров. Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1971, с. 35—39.

20.Петрушанский В. Ю., Сахаев А. //., «Ученые записки Ярославского техноло­ гического института», 1971, т. 23, № 4, с. 42—49.

21.Salhafer /. £., «Kunststoff-Rundschau», 1960, Bd. 7, N° 12, S. 569—576.

22.Рябинин Д. Д., «Каучук и резина», 1961, № 10, с. 28—33.

23.Кобалси Мико, Ind. Japan, 1963, v. 36, № 11, р. 1048—1057.

Глава XI

ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

XI.1. ОПИСАНИЕ МЕТОДА

Литье под давлением — один из основных методов переработки по­ лимеров, широко применяющийся при производстве самых различ­ ных изделий из термопластичных и термореактивных материалов. При формовании методом литья под давлением полимер вначале расплавляется, а затем под высоким давлением впрыскивается в полость закрытой формы. При литье термопластичного материала заполнивший форму расплав охлаждается и затвердевает, а затем форма открывается, и изделие удаляется из формы. Если перера­ батывают термореактивный материал, то впрыснутый в форму по­ лимер нагревают до температуры отверждения и выдерживают в течение времени, необходимого для полного отверждения изделия.

Таким образом литье под давлением термопластичных и термо­ реактивных материалов имеет много общего в той части, которая касается плавления полимера и заполнения формы; различие со­ стоит в разных методах фиксации формы готового изделия.

В настоящее время методом литья под давлением изготавли­ ваются самые разнообразные изделия — от предметов повседнев­ ного обихода до деталей машин и аппаратов. Машиностроительная

Любая литьевая машина состоит из следующих основных ча­ стей (рис. XI. 1): а) устройство для плавления гранулированного или порошкообразного материала, называемое обычно пластикатором (в машинах для литья резиновых смесей питание чаще всего осуществляется непрерывной лентой или шнуром [5, 6]); б) устрой­ ство для впрыска расплава в форму, называемое обычно литьевой головкой; в) охлаждаемая (или обогреваемая) форма, состоящая из отдельных частей и раскрывающаяся в момент удаления изде­ лия; г) приспособление для выталкивания готового изделия из по­ лости формы; д) замыкающий пресс (гидравлический, механиче­ ский или какого-либо иного типа); е) аппаратура управления отдельными параметрами цикла (температурой расплава, темпера­ турой пресс-формы, объемом впрыска, продолжительностью цикла

и т* п.); ж) вспомогательная аппаратура, приводы (механические, гидравлические, пневматические и др.); з) устройства, обеспечи­ вающие безопасность работы (системы электрической и механиче­ ской блокировки и т. п.). Обычно первые два устройства конструк­ тивно объединяют в один общий блок, который именуется в даль­ нейшем пластикатор, или литьевая головка.

В зависимости от расположения плоскости разъема формы литьевые машины подразделяются на горизонтальные, вертикаль­ ные и угловые; в зависимости от типа привода замыкающего прес­ са — на механические, гидравлические, гидромеханические и пнев­ матические.

Обычно для смыкания формы применяют различные разновид­ ности механических, гидравлических или гидромеханических уст­ ройств; в дальнейшем эти узлы и методы их расчета нами не рас­ сматриваются. Подробное изложение методов расчета этих уст­ ройств можно найти в специальной литературе [3; 4, с. 82].

Специфические проблемы, без понимания которых невозможен анализ процесса литья под давлением, связаны с явлениями, про­ исходящими при пластикации (плавлении) полимера, заполнении формы и охлаждении (отверждении) готового изделия. Рассмотре­ нию этих проблем и посвящена настоящая глава.

XI.2. ЛИТЬЕВОЙ ЦИКЛ

Проследим путь материала в литьевой машине и посмотрим, как изменяются при этом основные параметры литьевого цикла: тем­ пература, давление и продолжительность каждой стадии цикла. Из бункера в литьевую головку гранулы обычно поступают при

Рис. XI. 1. Конструктивная схема литьевой машины:

/ —форма; 2 — бункер; 3 — манометр для контроля за давлением впрыска; 4 — гидравлический цилиндр впрыска; 5 —конечные выключатели, определяющие объем впрыскиваемой порции; о—литьевой плунжер; 7— аппаратура управления отдельными параметрами цикла; 8 —нагре­ вательный цилиндр; 9—торпеда; 10 — форсунка; // —замыкающий пресс.

мя, предшествующее началу запол­ нения формы, в течение которого форма закрывается и литьевая форсунка подводится к литнику формы; участок 1—2 — это пе­ риод впрыска. Пока форма не заполнена, давление в ней не­ велико. Но как только она заполнится, давление в ней очень быстро возрастает до максимального значения (участок 2—3). За этим этапом следует стадия уплотнения (участок 3—4). На этой стадии цикла течение расплава в форму почти полностью прекра­ щается. Из литьевой головки в форму поступает только небольшое количество полимера, компенсирующее сжимаемость полимера под воздействием повышенного давления и уменьшение удельного объ­ ема в результате охлаждения и температурной усадки.

Возможны различные варианты этой стадии цикла, соответ­ ствующие различным особенностям конструкции машины. Так, если конструкция литьевой головки обеспечивает поддержание постоян­ ного давления впрыска, то по мере охлаждения и усадки находя­ щегося в форме расплава литьевой поршень будет перемещаться вперед, нагнетая дополнительное количество расплава в форму. В этом случае давление расплава в форме во все время стадии уплотнения остается постоянным (пунктирная кривая на рис. XI. 2, а). Если же литьевой поршень занимает в конце впрыска крайнее переднее положение, то во время стадии сжатия наблю­ дается некоторое уменьшение давления. Приток расплава в форму происходит при этом за счет разности давлений в литьевой голов­ ке и форме.

Следующая стадия цикла — это обратное движение литьевого поршня. Эта стадия называется также стадией утечки. Обычно утечку можно наблюдать при формовании массивных изделий, ко­ торые не успевают полностью затвердеть к тому моменту, когда литьевой поршень начинает свое обратное движение. Так как в этот момент давление в литьевом цилиндре оказывается меньше давления в форме, часть расплава вытекает из формы. При этом давление в форме заметно снижается.

Существуют литьевые форсунки, оснащенные специальным об­ ратным клапаном, предотвращающим обратное течение расплава. В таких случаях диаграмма давления имеет вид, изображенный на рис. XI. 2, б (участок 3—4).

Дальнейшее охлаждение приводит к затвердеванию материала в впусковом канале, и после этого никакое течение материала ни в форму, ни из формы оказывается невозможно.

Последующее охлаждение расплава сопровождается темпера­ турной усадкой и уменьшением давления в форме до момента от­ крытия, отмеченного на диаграмме точкой 6. Отметим, что в мо­ мент открытия в форме сохраняется определенное остаточное дав­ ление. Это остаточное давление, однако, не должно быть слишком велико. В противном случае могут иметь место повреждение, рас­ трескивание или даже застревание готового изделия в полости формы.

Процесс заполнения и охлаждения отформованного изделия оказывает решающее влияние на надмолекулярную структуру, и следовательно на прочностные и эксплуатационные характеристики готового изделия. Существуют различные методы управления про­ цессом структурообразования, однако во всех случаях для получе­ ния однородной по всему сечению изделия структуры необходимо обеспечить максимальное постоянство исходной температуры рас­ плава. Поэтому одно из основных требований, предъявляемых к пластицирующим устройствам, состоит в максимальном ограниче­ нии допустимой неравномерности температуры расплава.

XI. 3. ПЛАСТИКАТОР И ЛИТЬЕВАЯ ГОЛОВКА

По конструкции и расположению пластикатора все литьевые ма­ шины можно разделить на следующие классы: машины с горизон­ тальным расположением пластикатора; машины с вертикальным расположением пластикатора; машины без предварительной пла­ стикации.

По конструкции основного элемента все пластикаторы можно разделить на две основные группы: пластикаторы плунжерного типа и пластикаторы червячного типа. В пластикаторах плунжер­ ного типа (рис. XI. 3) разогрев материала осуществляется за счет теплопередачи от стенок корпуса и торпеды пластикатора. Пластикаторами такого типа обычно оснащают простые литьевые машины,

червячной литьевой головки, в которой червяк выполняет функцию пластикатора, а впрыск по-прежнему осуществляется поршнем.

Дальнейшее развитие конструкции литьевых машин шло по пути совмещения функций пластикации и впрыска в одном агре­ гате. В результате возникла наиболее распространенная в настоя­ щее время конструкция червячного пластикатора, в котором чер­ вяк обладает возможностью не только вращательного, но и воз­ вратно-поступательного движения (рис. XI. 6). В пластикаторах такого типа впрыск осуществляется за счет осевого перемещения червяка. Затем в течение времени, необходимого для затвердева­ ния материала в форме, червяк пластикатора вращается и нагне­ тает материал в переднюю полость камеры, одновременно переме­ щаясь назад.

Червячные пластикаторы такого типа позволяют перерабатывать те же самые термопласты, что и пластикаторы плунжерного типа.

Длина нагревательного цилиндра (см. рис. XI. 9) определится выражением

4<7<п

(XI. За)

1 я (D? - Df) /ц

где q — максимальный объем впрыска.

Обычно для нагревательных цилиндров tn/tu>= 10.

XI. 5. ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ НА ТРЕНИЕ В ЦИЛИНДРЕ ПЛУНЖЕРНОГО ПЛАСТИКАТОРА

Давление в пресс-форме всегда* меньше, чем давление литьевого поршня на поверхность гранулятора в камере литьевого цилиндра. Для того чтобы уяснить природу возникающих в литьевом ци­ линдре потерь давления, остановимся несколько подробнее на ана­ лизе картины движения полимера в нагревательном цилиндре. Вернемся к диаграмме рабочего цикла. Основываясь на ней, мож­ но выделить два принципиально различных режима работы литье­ вого цилиндра, каждому из которых соответствует свой механизм возникновения потерь давления.

Впрыск — это динамический режим работы, во время которого все рабочее усилие расходуется на преодоление сопротивления литьевого цилиндра, форсунки и каналов формы движению мате­ риала. На этой стадии максимальная часть усилия впрыска расхо­ дуется на преодоление внешнего трения движению пробки гранул через камеру пластикатора и вязкого сопротивления движению расплава в форсунке и литниках формы.

Подпрессовка (уплотнение) — статический режим работы, во время которого только часть рабочего усилия расходуется на пре­ одоление статического трения в пробке гранул. Остальная часть усилия передается в виде гидростатического давления в полость формы и обеспечивает подпитку формы, необходимую для компен­ сации усадки материала изделия в процессе его охлаждения.

Сразу же оговоримся, что в первый момент давление в форме не равно давлению в камере нагревательного цилиндра. Потери давления возникают вследствие двойственной природы расплава, который при отсутствии напряжений сдвига немедленно начинает структурироваться и приобретать свойства твердого тела [12, 13]. В результате часть давления расходуется на преодоление статиче­ ского трения. Возникающие при этом потери изменяются, умень­ шаясь во времени. Однако на это уменьшение потерь давления на­ кладывается дополнительный процесс — охлаждения и отвержде­ ния расплава в литниковой системе и полости формы 14.

Потери давления в цилиндре во время впрыска (динамический режим) складываются из сопротивления движению, возникающего в зоне гранулированного материала и сопротивления течению в об­