2785.Теоретические основы переработки полимеров

34. T. F. Ballenger and J . L. White, «The Development of the Velocity Field in Polymer Melts into a Reservoir Approaching a Capillary Die», J. Appl. Polym. Sci., 15, 1849 (1971).

39.J. P. Tordella, in Rheology, Vol. 4, F. R. Eirch, ed., Academic Press, New York, 1969, Chapter 3.

45.Y. Oyanagi, «А Study of Irregular Flow Behavior of HDPE», Appl. Polym. Symp.,

No. 20, 123 (1973).

46.N. Bergem, «Visualization Studies of Polymer Melt Flow Anomalies in Extrusion»,

Proceedings of the Seventh International Congress on Rheology, Gothenburg, Sweden, 1976, p. 50.

47.L , L . Blyter, Jr., and A. C. Hart, Jr., «Capillary Flow Instability of Ethylene

Polymer Melts», Polym. Eng. Sci., 10, 193 (1970).

48.J . Vlachopoulos and T , W . Chan, «А Comparison of Melt Fracture Initiation

Conditions in Capillaries and Slits», J. Appl. Polym. Sci., in press.

49.W. W. Graessley and L. Segal, «Flow Behavior of Polystyrene System s in Steady

Shearing Flow», M acrom olecule, 2, 49 (1969).

50.J. Vlachopoulos, M. Horie, and S. Lidorikis, «An Evaluation of Expressions Pre­ dicting Die Swell», Trans. Soc. Rheol., 16, 669 (1972); J. Vlachopoulos and M. Allam, «Critical Stress and Recoverable Shear for Polymer Melt Fracture», Polym.

51.J. P. Tordella, «An Unusual Mechanism of Extrusion of PTFE at High Temperature and Pressure», Trans. Soc. Rheol., 7, 231 (1963); U. S. Patent», 791, 806,

54.D, R. Paul, «Diffusion During the Coagulation Step of Wet-Spinning», J. Appl Polym. Sci., 12, 383 (1968),

58.J. M. McKelvey and К. Ho, «Uniformity of Flow from Sheeting Dies», Polym. Eng. Sci., 11,258 (1971).

59.R. B. Bird, W. E. Stewart, and E. N. Lightfoot, Transport Phenomena, Wiley, New York, 1960, p. 54.

60.A. A. Khan and C. D. Han, «On the Interfacial Deformation in the Stratified

Twophase Flow of Viscoelastic Fluids», Trans. Soc. Rheol., 20, 595 (1976).

61.J. L. White, R. C. Ufford, /(. C. Dharod, and R. L. Price, «Experimental and Theoretical Study of the Extrusion of Two-Phase Molten Polymer System», J. Appl. Polym. Sci., 16, 1313 (1972).

62.J. H. Southern and R. L. Ballman, «Additional Observation on Stratified BiComponent Flow of Polymer Melts in a Tube», J. Polym. Sci., A2 13, 863 (1975).

65.Y L. Yeow, «On the Stability of Extending Films: A Model for the Film Casting Process», J. Fluid Mech., 66, 613 (1974).

66.B. Proctor, «Flow Analysis in Extrusion Dies», Soc. Plast. Eng. J., 28, (February 1972); J R. Syms, «Computer Design Dies for Tubular Films», lecture notes from Plastics Institute of America's course on «Accuracy in the Extrusion Process», October 25, 1973.

67.A. G. Fredrickson and R. B. Bird, «Non-Newtonian Flow in Annuli», Ind. Eng. Chem., 50, 347 (1958).

68.R. A. Worth and J. Parnaby, «The Design of Dies for Polymer Processing Machi­

nery», Trans. Inst. Chem. Eng., 52, 368 (1974).

69.J . R. A. Pearson, «Non-Newtonian Flow and Die Design. Part I», Trans. J. Plast. Inst., 30, 230 (1962).

70.C. Gutfinger, E. Broyer, and Z. Tadmor, «Analysisofa Cross Head Film Blowing Diewiththe Flow Analysis Network (FAN) Method», Polym. Eng. Sci., 15,385—386(1975).

71.Д. Ai. Ма<-Келви. Переработка полимеров. Пер. с англ. М., Химия, 1965.

72.£. Cacho-Silvestrini, Special Project Report, Departament of Chemical Enginee­

ring, Stevens Institute of Technology, Hoboken, N. J., 1973.

73.R. /. Tanner, «Some Experiences Using Finite Element Methods in Polymer

Processing and Rheology», Proceedings ol the Seventh International Congress on Rheology, Gothenburg, Sweden, 1975, p. 140.

74.Z. Tadmor and R . £. Bird, «Rheological Analysis of Stabilizing Forces in Wire-

Coating Dies», Polym. Eng. Sci., 14, 124 (1974).

79.J. A. Wheeler and E. H. Wissler, «Steady Flow of Non-Newtonian Fluids in Square Duct», Trans. Soc. Rheol., 10, 353 (1966).

80.A. E. Green and R. S. Rivlin, «Steady Flow of Non-Newtonian Fluids Through Tubes», Quant. Appl. Math., 14, 299 (1956).

81.У G. Oldroyd, «Some Stead Flows of the General Elastico-viscous Liquid», Proc.

Г л а в а 14 ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, ПРЕССОВАНИЕ И ЗАЛИВКА

Как отмечалось в гл. 1, сущность методов переработки полимеров литьем под давлением, прессованием и заливкой состоит в том, что полимер нагнетается в форму, в которой он приобретает конфигура­ цию формующей полости.

При заливке формующая полость заполняется низковязкой жидкостью (реакционноспособный мономер или форполимер), теку­ щей под действием собственного веса, с последующими полимериза­ цией и затвердеванием полимера.

При прессовании твердый форполимер разогревается (или пла­ вится) и течет под действием усилия, оказываемого на материал горячим пуансоном при смыкании формы. При этом форполимеры обычно сшиваются и необратимо приобретают форму внутренней полости пресс-формы.

При литье под давлением расплав полимера с помощью форсунки впрыскивается через литниковую систему в закрытую холодную форму, в которой полимер, находясь под давлением, затвердевает, при этом образуется изделие, по конфигурации идентичное полости формы. Полимер плавится, перемешивается и впрыскивается в форму с помощью пластикатора. И, наконец, при литье под давлением реакционноспособных полимеров низковязкие мономеры или фор­ полимеры смешиваются непосредственно перед впрыскиванием в го­ рячую форму, в которой происходит реакция полимеризации. Таким образом, литье под давлением реакционноспособных полимеров — это разновидность формования заливкой, отличающаяся более вы­ сокой (вследствие принудительного впрыска) скоростью заполнения

С каждым из этих вопросов приходится сталкиваться при рассмотре­ нии названных выше четырех типов формования: литья под давле­ нием термопластов, литья под давлением реакционноспособных полимеров, прессования и заливки.

14.1. Литье под давлением термопластов

Литье поД давлением разделяется на два четко определяемых процесса. Первый включает в себя плавление, перемешивание, сжатие и течение расплава, осуществляемые в пластикаторе литьевой машины, а Второй — собственно оформление изделия в полости формы. Большинство литьевых машин снабжено червячными пластикаторами с осевым перемещением червяка и имеет горизонтальную линейную компоновку, как показано в гл. 1 на рис. 1.7т

Теоретический анализ литья под давлением включает все эле­ менты анализа установившейся непрерывной пластицирующей экс­ трузии, а кроме того, осложняется анализом неустойчивого течения, обусловленного периодическим вращением червяка, на которое накладывается его осевое перемещение. Для управления процессом литья под давлением важной является зона плавления в цилиндре пластикатора. Экспериментально показано, что механизм плавления полимера в цилиндре литьевой машины подобен пластикации в чер­ вячном экструдере [1]. На этом основана математическая модель процесса плавления в пластикаторе литьевой машины [2]. Расплав полимера скапливается в полости, образующейся в цилиндре перед червяком. Гомогенность расплава, полученного на этой стадии, влияет как на процесс заполнения формы, так и на качество изделий. В настоящем разделе рассматривается только процесс заполнения формы. Предполагается, что качество смешения и температура расплава остаются постоянными на протяжении всего цикла литья и не изменяются от цикла к циклу.

Впрыск полимерного расплава в литьевую форму осуществляется за счет осевого перемещения червяка, действующего при этом как плунжер. Происходит статическое механическое сжатие, описанное в разд. 10.7, в результате чего развивается течение пробкового типа (см. разд. 10.8).

Типичная литьевая форма (см. рис. 1.7) состоит по крайней мере из двух частей, одна из которых подвижна и на протяжении цикла литья открывает и закрывает форму (см. рис. 1.8). Температура внутри формы поддерживается постоянной, ниже Тg или Тт. Расплав выдавливается из форсунки литьевой машины, течет по разводящему литниковому каналу формы, распределителю и через впуск поступает во внутреннюю полость формы. Каждый из этих составных элементов литьевой формы выполняет строго определенную функцию и влияет на управление процессом литья. Например, разводящий литник формирует общий вход расплава в форму. Здесь не должно возникать большого сопротивления течению, но в то же время необходимо, чтобы расплав внутри литникового канала быстро затвердевал по завершении впрыска и легко отделялся от литника. Кроме того, литниковый канал должен обеспечивать непрерывный поток расплава между форсункой литьевой машины и распределителем пресс-формы. Всем этим условиям удовлетворяет короткий расходящийся кони­ ческий канал.

Распределитель служит для того, чтобы доставлять горячий расплав к внутренним полостям формы. Он должен выполнять эту функцию при минимальных потерях давления и материала. Поэтому канал распределителя должен иметь минимально возможную длину и оптимальное поперечное сечение, обеспечивающее малые потери давления, низкий расход материала и относительно медленное охла­ ждение, предотвращающее преждевременное затвердевание и «недолив». Обычно диаметр канала распределителя примерно в 1,5 раза больше толщины отливки. Поперечное сечение канала

распределителя для уменьшения потерь тепла и для упрощения

Р и с. 14 .1 . Т ипичны е к он стр ук ц и и и

р а сп о л о ж ен и е в п уск ов .

механической обработки внут­ ренней полости канала имеет круглую форму. Иногда нара­ стание давления и уплотнение материала в форме достигаются за счет подпитки горячим по­ лимером из распределительной системы, снабженной специаль­ ными обогревателями, пред­ отвращающими затвердевание полимера в распределителе. И наоборот, при больших раз­ мерах отливки необходимо изо­ лировать систему распределе­ ния расплава от формы. Раз­ водящий литник в обоих слу­ чаях может быть изолирован.

Впускной канал регулирует поток полимерного расплава на

входе в полость формы. Его размеры, форма и положение опре­ деляются рядом требований. Желательно иметь узкий впуск — это облегчает отделение литьевого изделия от распределителя и ускоряет затвердевание полимера после завершения впрыска,’.что позволяет изолировать полость формы от литниковой системыЛ Естественно, нужно избегать преждевременного затвердевания. Кроме того, зауженный впуск может ухудшать качество изделий, поскольку повышаются скорость и напряжение сдвига (выше критического уровня, при котором начинаются искажения поверхности) и суще­ ственно возрастает температура. Чтобы понизить уровень напря­ жений сдвига, применяют «веерный» впуск, расширяющий поток. Длина впуска обычно равна примерно половине характерной тол­ щины той части изделия, к которой прикреплен впуск (обычно наиболее тяжелая часть изделия). Впуск располагают таким образом, чтобы впрыскиваемый расплав ударял в противополож­ ную стенку полости формы. Типичные примеры конструкции и расположения впусков приведены на рис. 14.1. В многогнездных формах впуски и распределители служат также для сбалансиро­ вания потока стем, чтобы все гнезда формы заполнялись одновре­ менно.

В литературе [3, 4] приведены обширные сведения о конструк­ ции литниковых систем: разводящих литников, распределителей и впусков. Детальное математическое моделирование течения поли­ мерных расплавов через литниковые каналы — задача не простая. Она включает много проблем, связанных с заполнением формы, на которых мы остановимся ниже.

д о зав ер ш ен и я за п о л н ен и я ф орм ы . А есл и соп р оти в л ен и е теч ен и ю р асп л ав а, о к а зы в а е ­

в я зк о ст ь эк сп он ен ц и ал ь н о в о зр а ст а ет и теч ен и е п ол н остью п р ек р ащ ается , сл едстви ем

После того как полость формы заполнится расплавом, давление в форме продолжают поддерживать на прежнем уровне для обеспе­ чения уплотнения материала внутри формы («подпитка» расплавом) и компенсации термической усадки полимера, вызванной его охла­ ждением и затвердеванием. Подпитка быстро и ощутимо повышает давление в форме. При снятии прикладываемого извне давления (при возвратном движении червяка или поршня литьевой машины) происходит обратный ток расплава из полости формы до тех пор, пока полимер не затвердеет во впускном канале или пока не сработает

с у н к е , Р 2 — д ав л ен и е в к он ц е р а сп р ед е л и т е ­

ния в м ом ент см ы кания формы .