книги / Теоретические основы переработки полимеров

Рис. 14.19. Распределение температуры в полиуретановой пластине в процессе реакции отверждения; моделирование изотермической стенки. Пунктирной

Лифшиц, Макоско и Мусатти [61 ] определили термоме­ ханические характеристики и параметры реакции при темпе­ ратуре 45 °С для системы по­

лиэфир на основе триола — разветвленный 1,6-гексаметилендиизо- цианат с использованием дибутилолова в качестве катализатора. На рис. 14.19 представлены варианты распределения температуры для случая изотермической стенки пресс-формы. Из-за большой теплоты реакции отверждения полиуретана и низкой теплопровод­ ности системы в центре пластины происходит почти адиабатиче­ ское повышение температуры. С увеличением вершины кривых примыкают к адиабатическому профилю температуры еще теснее.

При эквимольном соотношении компонентов системы полиэфир на основе триола—гексаметилендиизоцианат—полиуретан степень превращения Ф связана со среднемассовой молекулярной массой соотношением [62 ]:

При Ф = (1/2)12 наступает «гелеобразование», при котором М ш становится бесконечно большой величиной.

Поддерживая более высокую температуру стенок пресс-формы, можно добиться равномерной глубины превращения, если при этом не происходит чрезмерная интенсификация реакции в поверхност­ ных слоях, что может препятствовать заполнению формы и уплот­ нению материала. Для правильного определения длительности цикла прессования или, если необходимо, времени и температуры на стадии отверждения важно оценить влияние толщины изделия и времени протекания реакции на распределение температуры, глубину прев­ ращения и молекулярную массу полимера.

14.4. Заливка

Заливка — это метод формования, который уже в течение не­ скольких столетий применяют для переработки металлов. Этот процесс также очень давно использовали для формования полимер­ ных изделий. Метод состоит в том, что жидкий форполимер зали­ вают в форму, в которой происходит его полимеризация с образо­

Т (х, у , 0) = Г0

Уравнение (14.4-2) описывает теплопередачу в двух направле­

дущем разделе, глубина превращения коррелирует со средней моле­ кулярной массой, что позволяет, используя результаты определения температурного поля, оценить свойства готового изделия, напри­ мер его модуль упругости при растяжении и твердость [47].

давлением или прессованием. Поэтому для описания заливки можно пользоваться теми же зависимостями, которые описывают стадию полимеризации форполимера после заполнения пресс-формы при литье под давлением или прессовании.

Задачи

14.1.Заполнение распределительного канала литьевой формы при постоянном объемном расходе. Как упоминалось в разд. 14.1, распределитель (или даже всю систему распределитель—формующая полость) можно заполнить расплавом при постоянном значении объемного расхода, если сопротивление течению в канале рас­ пределителя не слишком велико или если достаточно велико давление впрыска. Используя значения вязкости и размеры распределителя, приведенные в Примере 14.1, рассчитайте давление впрыска, требуемое для заполнения всего распределителя при постоянном объемном расходе 1,2- 10“в м3/с.

14.2.Заполнение канала распределителя некруглого сечения. Рассмотрите за­ полнение распределителя, поперечное сечение которого образовано тремя прямыми сторонами и полуокружностью. Заполнение происходит при постоянном давлении впрыска 20 МПа. Поперечное сечение канала распределителя имеет размеры (см.

рис. 13.21) d/B = 0,8 и В =в 5 мм, а его длина равна 250 мм.

Можно ли использовать понятие «эквивалентная ньютоновская вязкость» по отношению к псевдопластичным полимерным расплавам?

14.3. Относительный перепад давления на участках распределителя и впуска при литье под давлением. Рассмотрите кривые изменения давления и места распо­ ложения датчиков давления, представленные на рис. 14.2. Предположив, что процесс заполнения изотермический, пренебрегая поворотами распределительного канала и удаленностью датчика Р3 от впуска, рассчитайте падение давления на участке распре­ делителя (Pi — Ра) и на участке впуска (Р2 — Р3) за время 0,7 с. Расстояние между датчиками Рi и Р2 равно 20,3 см, ширина канала распределителя 0,99 см, а его глу­ бина 0,8 см. Впуск имеет следующие размеры: ширина — 0,63 см, длина — 0,16 см, глубина — 0,23 см. Использовался расплав полистирола со следующими реологиче­ скими характеристикамиIn т| = Av + Ах In у + Axl (In у)2 + Л2Г +

Рис. 14.20. Конструкция распределитель­ ной литниковой системы в многогнездной литьевой форме (параметры ответвлений —

рис. 13.31, где приведены значения эк­ вивалентной ньютоновской вязкости. Нужно ли учитывать падение давления на входе в форму?

14.4. Подпитка при литье под давлением. Используя данные, приведенные на рис. 14.2, оцените скорость течения при подпитке по перепаду давления Р} — Р2 пли Р2 — Р:и полагая, что за период времени 1 ,5 < / < 3 с в местах расположения датчиков давления P^, Р., и Р:>не произошло образования пристенного слоя затвердев­ шего полимера. Размеры распределителя и впуска те же, что и в Задаче 14.3. Можно считать, что при таких малых объемных расходах расплав ведет себя как ньютонов­ ская жидкость с вязкостью, рассчитанной по реологическим данным, приведенным в Задаче 1-1.3. Сравните полученный результат с расчетом соответствующего терми­ ческого сжатия расплава в форме за время 1 с. Коэффициент термического расшире­ ния расплава полистирола равен 6• 10“4 К'\температура расплава на входе вформу 202 °С, а температура формы 24 °С.

14.5. Конструкция распределительной литниковой системы в многогнездной литьевой форме. Многогнездная форма должна иметь распределительную литнико­ вую систему с центральным впуском, которая обеспечивает симметричное (по возмож­ ности) заполнение гнезд, что исключает чрезмерное повышение давления в- одной из частей формы и вытекание расплава через неплотности формы. Кроме того, чтобы изделия, отлитые в разных гнездах формы, были однородны по свойствам, желательно обеспечить одновременное начало и окончание процесса заполнения во всех гнездах. Рассмотрите распределительную литниковую систему, показанную на рис. 14.20 (изображена только половина системы), предполагая, что давление впрыска в точке А постоянно и что течение изотермическое.

«область переработки» на рис. 14.3.

Приложите высказанные выше соображения к трем полимерам; ПВХ, полиамиду и ПЭВП, свойства которых приведены в Приложении. Для моделирования вытекания расплава через неплотности формы рассмотрите течение в зазоре между параллель­ ными пластинами при высоте зазора 0,001 см и максимально допустимой глубине затекания 0,05 см за время 1 с.

14.7. Заполнение формы при изотермическом режиме. Как установлено в разд. 14.1 (обобщенная картина течения), сделав допущение, что заполнение фор­ мы — это изотермический процесс, можно достаточно точно оценить скорость запол­ нения. Этот вывод иллюстрирует рис. 14.4, показывающий, что расчетные положения

Рис. 14.21. Зависимость времени заполнения

/и 2 относятся к пресс-форме глубиной Н = 0,635 см, кривые 3 и 4 — к пресс-форме глу­

Как выглядят изотермический и неизотермнческий профили скоростей и какие физические условия им соответствуют? Какой можно сделать вывод из этих условий

о температурном поле?

Каковы будут результаты для ПЭНП?

14.8. Допущение о постоянстве толщины пристенного слоя затвердевшего по­ лимера. Берри ***, изучавший литье под давлением образцов с большой площадью поверхности, установил, что течение расплава при заполнении формы можно рассма­ тривать как изотермическое течение в зазоре между двумя пластинами. При этом величина зазора не равна фактическому значению расстояния между пластинами /г, а равна h — 2Дх, где Дх — толщина затвердевшего слоя. Правомерность этого пред­ положения подтверждается тем, что жесткий поверхностный слой литьевых образцов из поропластов имеет малую толщину. Эмпирическая оценка толщины застывшего

слоя приводит к соотношению Да*~ т1,/3, где т = Ah/Q. Здесь А — площадь растека­ ния расплава при заполнении формы, a Q — объемная скорость заполнения. При

расчете теплопередачи используют соотношение Дх ~ \ ^ 2. Докажите последнее соотношение.

14.9. Сэндвич-литье. Способ формования полимеров, называемый сэндвичлитьем, предусматривает использование двух литьевых машин для заполнения одной формы. Первая машина заполняет расплавом часть формы (обычно 1/10—1/5 часть), и сразу вслед за этим вторая литьевая машина впрыскивает расплав, содержащий порообразователь. При этом первый расплав образует поверхностный слой, покры­ вающий всю форму. Объясните механизм течения (выделив отдельные стадии про­ цесса), позволяющий осуществить такой способ формования. (Подобный способ фор­ мования был использован для литья под давлением изделий, у которых поверхностный слой состоит из «свежего» полимера, а сердцевина — из вторичного сырья **.)

14.10. Неизотермическое течение при прессовании. В разд. 14.3. мы сделали допущение, что сжатие расплава, происходящее при его прессовании в интервале вре­

мени / <Г //, приводит к изотермическому течению. Другое, противоположное по смыслу допущение состоит в том, что при // температурное поле в материале неодно­ родно. И это поле, являясь функцией безразмерной переменной г* = zth, остается постоянным на протяжении периода течения расплава при прессовании (этот период очень короткий).

Считая, что скорость сжатия расплава h постоянна, решите задачу неизотерми­ ческого течения при сжатии между двумя параллельными дисками (получите модифи­ цированное уравнение Скотта).

Можно ли установить, является ли течение изотермическим, располагая резуль­ татами измерения усилия прессования при постоянной скорости сжатия и пользуясь уравнением Скотта (14.3-8)?

Как учесть в решении поставленной задачи полимеризацию, сопровождающую

с англ., Госхимиздат, М., 1962.

4./. /. Rubin, Injection Molding — Theory and Practice, Wiley-Interscience, New York, 1972.

5.C. F. Huang, «Numerical Simulations of the Filling Process with a Cup-Shaped Mold», M. S. thesis Department of Chemical Engineering, Stevens Institute of

19.K. Oda, J. L. White, and E. S. Clark, «Jetting Phenomena in Injection Mold Filling», Polym. Eng. Sci., 16, 585 (1976).

4 7 . J . D. Domine, «Computer Simulation of the Injection Molding of a Liquid Under­ going a Linear Step Polymerization», Ph. D. thesis, Department of Chemical Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, N. J., 1976.

53.J . L. Throne and R. G. Griskey, «Structural Thermoplastic Foam — A Low Energy Processed Material», Polym. Eng. Sci., 15, 747 (1975).

54.P. L. Durrill and R. G. Gr:skeyy «Diffusion and Solution of Gases in Thermally Softened or Molten Polymers. Part I», Am. Inst. Chem. Eng. J., 12, 1147 (1966).

55.A. AC Gent andD. A. Tomkins, «Nucleation and Growth of Gas Bubbles in Ela­

stomers», J. Appl. Phys., 40, 2520 (1969).

56. J . R. Street, A. L. Fricke, and L. P. Reiss, Ind. Eng. Chem. Fundam., 10,

54(1971).

57.J. L. McCormic and У. R. Street, «The Dynamics of Phase Growth in Viscous non-Newtonian Fluids. 2. Growth in Fluids of Finite Extent» Unpublished report, Shell Development Co., Emeriville, Calif., 1973.

58. R. R. Prud'homme and R. B. Bird, «The Dilatational Viscosity of Suspensions of Gas Bubbles in Hewtonian and non-Newtonian Fluids», Rheology Research

60.E. Broyer and C. W. Macosko, «Heat Transfer and Curing in Polymer Reaction Molding», Am. Inst. Chem. Eng. J., 22, 268 (1976).

61.S. D. Lipshitz, C. W. Macosko, and G. Mussat1iy Technical Papers, 33rd Annual

ВТОРИЧНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Ниже описываются четыре способа «вторичного» формования: формование полокон из расплава, формование рукавной пленки (раздув), выдувное формование и термоформование.

Первые три вида формования осуществляются непосредственно вследза экструзией полимера, а термоформование предполагает предварительное изготовление заготовки в виде экструзионного листа или пленки. В разд. 13.3—13.5 рассмотрены вопросы, свя­ занные с конструкцией экструзионных головок и технологией экстру­ зии заготовок, используемых при термоформовании.

15.1. Вытяжка волокон из расплава

Между окончанием постэкструзионного разбухания экструдата и началом вытягивания волокон из расплава нет четкой границы. Оба процесса протекают одновременно, особенно вблизи выхода из фильеры, где обычно наблюдается интенсивное разбухание экстру­ дата. Из экспериментальных данных [1] следует, что при фильерной вытяжке волокна из расплава площадь поперечного сечения волокна на участке от выхода из фильеры до приемных роликов гиперболически уменьшается. Типичное изменение площади попе-