книги / Теоретические основы переработки полимеров

литьевое изделие с помощью (выталкивателей удаляется из поло­ сти формы.

С помощью датчиков давления, размещенных внутри литьевой формы, можно проследить за отдельными стадиями цикла литья под давлением, как видно из рис. 14.2. В неглубокую прямоугольную форму с помещенными внутрь формующей полости вкладышами (см. верхнюю часть рис. 14.2) впрыскивали полистирол. Датчики давления разместили в нескольких точках на пути следования расплава: в форсунке, распределителе и внутри полости формы. Показания датчиков сканировали каждые 0,02 с и снимали с компью­ тера [6]. Впуск производился при постоянном давлении 70 МПа, а по заполнении формы давление в форсунке поддерживалось на уровне 38,5 МПа. Легко заметить небольшие отклонения давления от нормы. Кривая давления в конце распределителя (Р2) распола­ гается на нижнем уровне давлений в форсунке. Обе кривые сли­ ваются на участке течения, соответствующем окончанию заполнения формы. Разность давлений Рг — Р2 определяет перепад давления на участке разводящий литник — распределитель. А перепад да­ вления на концах впуска приблизительно определяется разностью давлений Р2 — Р3. Видно, что давление Р3) измеряемое внутри полости формы вблизи впуска, возрастает по мере заполнения формы (в интервале времени от 0,4 до 1,3 с).

Как следует из Примера 14.1, такое распределение давлений близко к условиям постоянной скорости заполнения формы. Это подтверждается результатами измерения положения плунжера через каждые 0,02 с [6]. Следует отметить, что по окончании заполнения формы одновременно с резким возрастанием давления Р5 во всех других местах давление также быстро повышается, тогда как в фор­ сунке в этот же момент давление понижается до 38,5 МПа.

В течение времени «выдержки» три датчика давления внутри полости формы показывают различные значения давления, несмотря на отсутствие заметного перепада давления в потоке. Вероятно, это является следствием образования корок затвердевшего расплава, что искажает показания приборов. Во всех контролируемых точках внутри формы давление постоянно снижается по мере затвердевания расплава. Это снижение давления продолжается и после того, как полимер во впуске затвердел. Большое практическое значение имеет величина остаточного давления в момент раскрытия формы. Если остаточное давление близко к нулю, то весьма вероятно, что прл дальнейшем остывании до комнатной температуры изделие будет содержать усадочные раковины или его размеры будут меньше раз­ меров полости формы. А если остаточное давление велико, то при извлечении изделия из формы оно может быть деформировано.

Из приведенного выше краткого описания видно, что в пределах одного цикла формования одновременно, но в различной степени интенсифицируются и вязкий разогрев (объемная скорость потока при заполнении формы очень высока), и теплопередача, и релаксация напряжений. На эту картину накладываются еще и явления переноса, и, поскольку времена затвердевания полимера соизмеримы с вре­

менами релаксации (De ^ 1 ) , литьевые изделия затвердевают в уело* виях действия напряжений, поэтому в них остаются так называемые «замороженные» напряжения. Эти внутренние напряжения суще­ ственно влияют на свойства и морфологию литьевых изделий. По­ этому литье под давлением можно использовать для изучения структурообразования в полимерах. Рассмотрим отдельно различные стадии литья под давлением.

Заполнение формы

Сейчас уже ясно, что нет простого ответа на вопрос, какими должны быть условия литья для конкретного полимера и конкретной пресс-формы, чтобы получить изделие с заданными свойствами. Рис. 14.3 иллюстрирует попытку получения такого ответа эмпири­ чески, путем экспериментального определения «области переработки» на диаграмме температура расплава — давление впрыска. Если технологические параметры лежат внутри этой области, то данный полимер может быть переработан литьем под давлением с помощью данной пресс-формы. Область ограничена четырьмя кривыми. Ниже нижней кривой полимер еще не течет. Выше верхней кривой полимер подвергается термической деструкции. Левее кривой «недолив» форма заполняется не до конца. Правее кривой «облой» полимер затекает в зазоры между составными частями металлической формы, что приводит к образованию тонких пленок, прикрепленных к литье­ вому изделию по линиям разъема формы. Другой практический прием оценки перерабатываемое™ литьем под давлением, особенно для сравнения одного полимера с другим, состоит в использовании стандартной спиральной пресс-формы. При заданных условиях формования [7] определяют глубину (длину) заполнения спирали.

Поскольку заполнение формы — сложный процесс, то для кон­ струирования пресс-форм и для математического описания процесса формования бывает полезна, а иногда даже необходима визуализация потока расплава. Первый важный вклад в решение этой задачи был сделан Гилмором и Спенсером [8, 9], чьи экспериментальные резуль­ таты легли в основу работ, опубликованных Бейером и Спенсером [10]. В начале 60-х годов эксперименты по заполнению пресс-формы при литье под давлением проводил Боллман [11—13]. Через десять лет был предпринят ряд серьезных попыток решить проблему пере­

глубокую прямоугольную форму размером 38,1 х 152,4 мм. В раз­ личные места формующей полости вставляли вкладыши разнообраз­ ной формы и размеров. При этом либо создавались помехи течению расплава, либо внутри полости формы образовывались участки раз­ личной глубины. В качестве литьевого материала использовали поли­ стирол. Положение и форму профиля потока регистрировали с по­ мощью метода «недолива» (рис. 14.5).

Из результатов, представленных на рис. 14.5, 1 видно, что на глубоком участке полости формы профиль потока имеет круглую форму, а при входе в зауженную часть полости он искривляется. Т-образный вкладыш расщепляет поток на две составляющие, объ­ единяющиеся затем позади вкладыша с образованием линии сварки фронтов. Положение и форма линии сварки определяются формой профиля потока вокруг вкладыша. Вкладыш сильно изменяет на­ правление распространения фронта, что в свою очередь влияет на направление молекулярной ориентации. В таких пресс-формах, следовательно, можно ожидать существенно неоднородного распре­ деления ориентации. На рис. 14.5, 2 показан вкладыш, помещенный

вузкой части полости формы рядом со впуском. В этом случае форма

иположение линии сварки совершенно иные. Сильно изменяется также профиль фронта потока (а следовательно, и распределение ориентаций).

На рис. 14.5, 3 показана S-образная полость формы с двумя неглубокими выемками. Видно, что глубина затекания расплава в мелкие и глубокие участки полости формы, заполняющиеся одно­ временно, качественно соответствует расчету, приведенному в При­ мере 14.1, т. е. при Р = const Z (t) пропорционально поперечному сечению участков полости формы и в первом приближении не зави­ сит от реологических свойств расплава. В этом случае образуются две линии сварки фронтов. Вторая линия сварки образуется сбоку при входе в глубокую часть полости формы.

На рис. 14.5, 4 показано течение в S-образной полости формы без образования линии сварки. И, наконец, на рис. 14.5, 5 показан поток, обтекающий вкладыши квадратной и круглой формы. В этом случае образуются четко выраженные линии сварки фронтов. При­ веденные результаты иллюстрируют сложную картину течения, наблюдаемую даже в относительно простых пресс-формах. Инте­ ресно, в частности, отметить, что важное значение имеет форма линий сварки. И не только потому, что они иногда образуют видимые дефекты в изделиях, но также потому, что это обычно слабые места изделий.

Итак, можно утверждать, что линии сварки образуются при встрече фронтов, т. е. когда нормали к поверхностям фронтов напра­ влены противоположно друг другу или пересекаются. Первый ва­ риант возможен при заполнении формы из двух впусков или не­ посредственно за обтекаемым препятствием, а второй — когда фронт слагается из двух сегментов.

Как упоминалось в разд. 13.5, поверхность раздела по линии сварки можно охарактеризовать уровнем «зацеплений», заметно

зовании «веерного» впуска, который увеличивает один из размеров струи, чем одновременно достигается снижение момента количества движения.

Моделирование заполнения формы

Полное моделирование заполнения формы потребовало бы под­ робного расчета профилей скорости и температуры в потоке рас­ плава внутри полости формы, включая описание положения и формы развивающегося фронта потока. Этого в принципе было бы доста­ точно для расчета распределения ориентации, влияющего на морфо­ логию изделия, формирующуюся в процессе охлаждения и затвер­ девания. Такая полная модель, если она возможна, была бы полезна как для конструирования, так и для оптимизации условий литья под давлением изделий с заданными свойствами.

Полное моделирование — задача чрезвычайно сложная даже для сравнительно простых по конструкции пресс-форм и почти нераз­ решимая для пресс-форм сложного профиля. Однако можно вполне удовлетворительно описать процесс литья под давлением, модели­ руя отдельные стадии заполнения формы на изолированных участ­ ках потока. Рассмотрение каждого из этих участков требует приме­ нения специальных математических приемов и приближений. Рас­ сматривая показанный на рис. 14.4, б, визуализированный процесс заполнения формы, можно выделить следующие участки потока.

1. Участок полностью развившегося течения. В процессе запол­ нения формы большая часть расплава участвует в почти полностью развившемся течении в узком зазоре между холодными стенками полости формы. Характер этого течения определяет время запол­ нения формы, ориентацию в центральной части изделия, а также условия недолива. Существенный интерес представляет анализ одно­ мерного (радиального или осевого) течения горячего расплава между холодными стенками. Необходимость одновременного решения урав­ нения движения и уравнения энергии исключает возможность при­ менения аналитических методов и заставляет использовать числен­ ные методы, например метод конечных разностей.

2. Участок вблизи фронта. Как было установлено ранее, этот участок потока определяет качество поверхности изделия (образо­ вание пристенного слоя) и расположение линий сварки. Поэтому необходим тщательный анализ участка фронта. Для моделирования течения в этой области используют либо аналитическую аппрок­ симацию, либо численные методы.

3. Участок впуска. Он играет доминирующую роль в начале заполнения формы. Влияние этого участка не столь значительно, как влияние участка вблизи фронта, поскольку расплав здесь горячий

ипамять о воздействиях, которым расплав подвергается на участке входа, вскоре исчезает.

Ниже рассмотрим подробнее первые два участка.

Участок полностью развившегося течения. В работах [11, 15, 20—25] предложен ряд математических моделей описания течения

итеплопередачи на участке полностью развившегося течения. Рас-

объемный расход течения в полости формы не станет таким же, как

иво впуске.

Вуравнениях (14.1-4) и (14.1-5) коэффициент консистенции не остается постоянным в направлении г, поскольку в этом же направ­

лении (по глубине формы) изменяется температура. В уравнении энергии представляют интерес два граничных условия. При г = rik в правую часть уравнения (14.1-2) следует ввести следующее выра­ жение, учитывающее передачу тепла воздуху внутри полости формы:

%r i k h ( Т Ut — Т а )

2

r i k ~ r i k- 1

где h — коэффициент теплоотдачи от полимера к воздуху.

На стенке формы

равным бформьг^ (где d — расстояние от поверхности формы до глубины, на которой температура формы равна 7 0).

Уравнение теплопередачи можно преобразовать к разностной форме, используя неявную функцию [26], и решить его методом Кранка—Никольсона или методом О’Брайена [27] (см. разд. 9.4). Размер ячеек используемой сетки может логарифмически умень­ шаться с увеличением z, поэтому можно подробно проследить за быстро изменяющимися температурой и скоростью.

Результаты моделирования показывают, что для расчета времени заполнения формы большое значение имеет отношение интенсивности тепловыделений за счет вязкой диссипации к интенсивности тепло­ отдачи к холодным стенкам. Действительно, в тех случаях, когда это отношение близко к единице, можно оценить время заполнения формы, используя изотермическое приближение.

Если давление на входе в форму постоянно, то фронт потока продвигается с непрерывно снижающейся скоростью (см. При­ мер 14.1). Если фронт потока продвигается с постоянной скоростью, то давление впрыска непрерывно растет. Как упоминалось выше, постоянная скорость заполнения наблюдается лишь для легко за­ полняемых простых форм. В действительности же скорость потока постоянна лишь на ранней стадии заполнения формы, а затем она снижается. На рис. 14.7 показаны кривые зависимости времени заполнения формы от температуры расплава на входе в форму и от давления впрыска для непластифицированного ПВХ. Угловой коэф­ фициент касательной к кривой время заполнения — температура расплава зависит от энергии активации вязкого течения, т е. от температурной чувствительности коэффициента консистенции т . А угловой коэффициент касательной к кривой время заполнения давление впрыска зависит от индекса течения пуувеличиваясь с умень­

шением последнего.

На рис. 14.8 показано распределение температуры при запол­ нении одной и той же формы полимером, имеющим на входе в форму

Значения Р0:

температуру 202 °С. Давление впрыска составляет 105 МПа. Проана­ лизируем представленные кривые. Во-первых, видно, что на расстоя­ нии, равном половине пути до стенки, условия течения преимуще­ ственно изотермические. Это объясняется тем, что профиль скоро­ стей в этом слое потока почти плоский и теплопередача ничтожна. Только вблизи стенки полости формы происходит быстрое и зна­ чительное охлаждение расплава за счет теплопередачи материалу формы. При температуре 150 °С, когда ПВХ имеет практически бесконечную вязкость, на расстоянии г > 2,5 см уже образуется тонкий пристенный слой затвердевшего полимера [5]. При меньших значениях давления впрыска образуются более толстые пристенные слои. Зависимость профиля пристенного слоя от параметров литья под давлением иллюстрирует рис. 14.9. Увеличение давления впрыс­ ка, температуры расплава и температуры формы, а также увеличение глубины полости формы приводит к уменьшению толщины пристен­ ного слоя затвердевшего материала.

Профиль застывшего слоя характеризуется наличием максимума («горба»). Вблизи впуска за счет свежих порций горячего расплава толщина пристенного слоя сохраняется минимальной. На участке развития фронта расплав, находящийся вблизи стенок формы, еще достаточно горяч, поскольку поток здесь формируется из централь­ ных слоев. На участке «горба» течение останавливается, что и яв­