Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)

Значения коэффициентов внешнего трения f в зависимости от температуры приведены ниже:

При больших скоростях впрыска процесс заполнения формы проходит почти без теплообмена со стенками канала формы. По­ этому вся работа внешних сил, идущая на преодоление вязкого трения, в конечном счете превращаете^ в тепло и вызывает допол­ нительный разогрев, который можно оценить по формуле (V. 1). Этот дополнительный разогрев может достигать 30—50 К.

Выражения (XI. 5) и (XI. 6) позволяют рассчитать давление впрыска, если заданы геометрические размеры нагревательного ци­ линдра, а также объем и скорость впрыска. Расчет потерь давле­ ния в статическом режиме также производится по формуле (XI. 6). При этом следует иметь в виду, что вместо коэффициента трения движения в него следует подставлять соответствующие значения статических коэффициентов трения. Для кольцевого участка канала (зона торпеды) вместо диаметра пробки D следует подставлять гидравлический радиус D\ — D2, и это выражение приобретает вид:

APn = ( l - exp ) (XI. 7)

Потери давления в зоне гранулированного материала очень сильно зависят от количества смазки (например, воска), а также от раз­ мера и формы гранул. Так, при увеличении содержания смазки до 2-10-4% потери давления в зоне гранул снижаются примерно на 30% [8].

Из выражения (XI. 7) следует, что длина пробки нерасплавившегося материала существенно влияет на фрикционное сопротив­ ление. Поэтому фрикционные потери давления сильно зависят и от температуры плавления полимера. Чем ниже температура плавле­ ния, тем короче образующаяся в цилиндре пробка и тем меньше потери давления.

XI. 6. ЧЕРВЯЧНЫЙ ПЛАСТИКАТОР

Литьевая головка с червячным пластикатором во многом подобна обычному одночервячному экструдеру. Поэтому математическое описание процесса пластикации, в течение которого червяк пластикатора нагнетает в переднюю полость очередную порцию мате­ риала, аналогично описанию процесса экструзии (см. гл. VIII).

При использовании математической модели экструзии для описания процесса пластикации следует иметь в виду, что по оконча­ нии стадии впрыска часть червяка (примерно AL = 1— 2D) ока­ зывается незаполненной полимером. Поэтому вначале стадии пла­ стикации в червяке одновременно протекают два процесса. Про­ должается пластикация материала, оставшегося в винтовом ка­ нале от предыдущего цикла. При этом конец заполненного участка червяка смещается к выходу из червяка по мере выдавливания пластицированного расплава. Одновременно по начальному участ­ ку зоны питания перемещается фронт пробки гранулята, который догоняет смещающийся к выходу хвост предыдущей порции. Только после того как новая порция гранулята, забранная червя­ ком из бункера, сомкнется с концом предыдущей, механизм работы пластикатора становится полностью подобен механизму работы червяка обычного пластицирующего экструдера. Единственное от­ личие заключается в том, что пластицируемый материал соби­ рается перед концом червяка, вызывая его смещение назад. По­ этому эффективная длина червяка в процессе этой стадии цикла не остается постоянной, а изменяется. Поскольку уменьшение эф­ фективной длины приводит к уменьшению температурной однород­ ности расплава (изменяется значение /?), это смещение обычно ограничивается величиной (1 -h2)D.

Разогрев расплава и качество гомогенизации в значительной мере зависят от противодавления, которое задается на поршне гидроцилиндра осевого перемещения. Его следует выбирать таким образом [16], чтобы давление расплава на выходе из червяка во время пластикации не превышало 35 МПа. Рекомендованные зна­ чения давлений и температуры пластикации для ряда термопла­ стов приведены ниже:

Эти данные получены при экспериментах с червяком диамет­ ром 63 мм. Опыт показал, что эти давления и температуры можно рекомендовать и для червяков большего диаметра. При этом тем­ пература загрузочной зоны должна поддерживаться на 28—56 К ниже приведенных температур.

Частота вращения червяка выбирается в зависимости от типа перерабатываемого материала. Для машины с диаметром червяка 63 мм рабочий диапазон частот вращения может составлять 20— 180 об/мин. Нижний предел рекомендуется применять при перера­ ботке термочувствительных материалов (например, поливинилхло­

(рис. XI. 13). Построенная таким образом характеристика пластикатора имеет вид кривой с максимумом, соответствующим некото­ рому максимальному противодавлению. Каждой точке этой кривой (при фиксированном N) соответствует свое значение приращения температуры. Если нанести на график серию кривых, построенных для различных частот вращения, а затем соединить между собой

обеспечивающих разогрев расплава до заданной температуры. Располагая этими двумя графиками, очень просто выбрать

основные параметры режима пластикатора (Р и V). Для этого сначала по температуре впрыска, выбранной из соображений тре­ бований усадки и формуемости, рассчитывается приращение тем­ пературы АТ (за АТ принимается разность между температурой впрыска и температурой плавления Г0). Затем по объему впрыска и продолжительности стадии пластикации рассчитывается объем­ ная производительность пластикатора Q. По графику рабочих характеристик определяется необходимое противодавление. Для этого через точку оси ординат с нужным значением Q проводится прямая, параллельная оси абсцисс до пересечения с соответствую­ щей изотермой. Абсцисса точки пересечения и определяет значе­ ние противодавления. Затем рассчитывается параметр PJQ и по графику, приведенному на рис. XI. 12, определяется частота вра­ щения червяка. Выбранный таким образом режим обеспечивает

томатически вызывать соответственное изменение параметров ре­ жима, направленное на его стабилизацию.

Допустим что в результате флуктуации свойств сырья в червяк попала'порция материала с несколько повышенной вязкостью. При этом температура расплава несколько повысилась. Следующая порция расплава, для того чтобы разогреться до этой же темпера­ туры должна поступить иод более высоким давлением и при мень­ шей производительности. Поскольку значение противодавления за­ фиксировано настройкой регулятора давления, такое повышение давления практически невозможно. Следовательно, разогрев рас­ плава автоматически уменьшится. Напротив, при уменьшении тем­ пературы производительность повысится, но одновременно должно будет снизиться давление. Регулятор подаст в гидроцилиндр осе­ вого перемещения червяка дополнительную порцию масла, и чер­

вяк сместится вперед, компенсируя таким образом увеличение производительности.

Еслнерабочая точка выбрана в этой области, то всякая флуктуа­ ция свойств будет приводить к самопроизвольному нарушению ре­ жима Рассмотрим аналогичный случай перегрева расплава, котоый в этой области сопровождается уменьшением производитель­ ности и падением давления. Поскольку регулятор настроен на бо­

имеет так же, как и в случае расплава, обладающего свойствами

серию кривых, построенных для различных частот вращения, и со­ едини© между собой точки с одинаковым значением R (пунктирные кривые на рис. XI. 14, а), получим сетку изотерм. Выбор основных параметров режима производится так же, как и в случае литья расплава, обладающего свойствами ньютоновской жидкости. Един­ ственная разница состоит в том, что частота вращения выбирается по графику Q — f(R, 1/М1+/1п) (см. рис. XI. 14,6). Так же как и в предыдущем случае, область устойчивых режимов — это верхняя ветвь кривой Q = Q(P).

XI. 7. ПАРАМЕТРЫ ЛИТЬЕВОГО ЦИКЛА И УСАДКА ГОТОВОГО ИЗДЕЛИЯ

Большинство проблем, возникающих при литье под давлением, связано с тем, что этот процесс протекает при переменном давле­ нии в нестационарных температурных условиях и сопровождается значительными изменениями плотности полимера в зависимости от температуры и давления. При повышенной температуре плотность полимера меньше, чем при комнатной температуре. Поэтому если заполнить форму расплавом и охлаждать его при атмосферном давлении, то вследствие температурной усадки размеры готового изделия будут существенно отличаться от размеров формы. Для компенсации температурной усадки форму заполняют под высоким давлением. Поэтому в начале процесса охлаждения полимер в форме находится в состоянии объемного сжатия. По мере охла­ ждения объемное сжатие уменьшается, оставаясь тем не менее от­ личным от нуля.

Можно определить линейную усадку выражением:

ный размер извлеченного из формы изделия, охлажденного до комнатной темпе­ ратуры.

Поскольку усадка зависит от скорости охлаждения, различной для разных частей изделия, то точно рассчитать ее удается лишь для изделий самой простой геометрической формы. Однако если известно начальное и конечное (равновесное) состояние полимера, то можно определить среднее значение объемной усадки:

Определяя средние размеры изделия L как _ 3 _

тах Т — Р эта зависимость изображается прямой, выходящей из точ­ ки Л с координатами Р = —я, Т = О К (рис. XI. 15). Если при не­ которой температуре Т приложить к расплаву различные давления

том объеме расплав, то давление и температура в нем будут из­ меняться, следуя соответствующей прямой, проходящей через точ­ ку А (см. рис. XI. 15). Чем более полого расположится кривая, тем выше будет плотность полимера при одном и том же значении тем­ пературы.

Обычно стадию выдержки под давлением не доводят до пол­ ного затвердевания расплава в литнике. Поэтому как только литье­ вая форсунка отходит от литниковой втулки, некоторое количество расплава вытекает из формы, и давление в ней снижается до зна­ чения, при котором материал в канале при данной температуре уже не обладает достаточной подвижностью. Температура, при ко­ торой происходит затвердевание расплава в впусковом канале, является примерно линейной функцией давления, поскольку чем выше давление в форме, тем выше напряжение сдвига и тем, сле­ довательно, ниже должна быть температура затвердевания. Типич­ ный пример изменения температуры в форме в зависимости от дав­ ления при различных начальных значениях температуры приведен на рис. XI. 16. Крестиками на кривых отмечен момент затвердева­ ния впуска. Хорошо заметно, что все крестики располагаются на одной общей прямой, называемой линией затвердевания. Обратим внимание, что ниже температуры затвердевания, когда масса на­