Особенности литья различных термопластов

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ

Все материалы можно разделить на 4 основые группы:

1. General purpose thermoplasts (термопласты общетехнического назначения)

2. Engineering thermoplasts (термопласты инженерно-технического назначения, конструкционные термопласты)

3. Super-engineering thermoplasts (суперконструкционные термопласты, высокотермостойкие термопласты)

4. TPE (термопластичные эластомеры, термоэластопласты)

Наибольшее применение для литья под давлением имеют полистирол и его сополимеры, полиолефины — полиэтилен низкой и высокой плотности и полипропилен, полиамиды, также поливинилхлорид, полиметилметакрилат, пластмассы на основе эфиров целлюлозы, поликарбонат и ряд других термопластов.

В последнее время появились новые термопластичные материалы, обладающие высокой термостойкостью и перерабатываемые при высоких температурах,— полисульфон, полиарилсульфон и полифениленоксид

Свойства изделий, изготавливаемых из термопластов методом литья под давлением, в значительной степени зависят от условий переработки.

К основным свойствам термопластов относятся:

v свойства, определяемые химической природой полимера, (температура плавления и стеклования, температура разложения, температура кристаллизации);

v реологические свойства, связанные с деформацией материала в различных состояниях;

v свойства, связанные с химической стабильностью, т. е. стойкость к воздействию света, тепла, различных сред и т. п;

v физические свойства, например электрические или теплофизические.

Литьем перерабатываются как аморфные, так и кристаллические полимеры.

Переход аморфных полимеров в вязкотекучее состояние происходит в широком интервале температур, поэтому они перерабатываются без особых затруднений. Колебание температуры расплава не вызывает резкого изменения в процессе литья. Расплав не склонен к вытеканию через зазоры в формах. Усадка составляет 0,4-0,6 %.

Кристаллические полимеры имеют узкий интервал температур перехода в вязкотекучее состояние, отличаются низкой вязкостью расплава и высокой текучестью. Эти свойства усложняют процесс переработки. Необходимо точнее поддерживать температуру расплава, использовать запорные устройства к мундштуку. Кристаллические термопласты при затвердевании имеют значительно большую усадку (до 3%).

Чем выше температура термопласта, тем больший объем он заполняет, и тем выше усадка при охлаждении. Надо иметь в виду, что кроме термической усадки может происходить усадка и вследствие изменения структуры полимера, причем она проявляется не только в изменении размеров изделия, но и в появлении углублений, внутренние пустоты, раковины.

Чем ниже температура термопласта и чем выше давление в процессе литья, тем меньше усадка и тем больше будет плотность материала в изделии. Такое изделие имеет лучшие эксплуатационные характеристики.

Полистирол (ПС) наиболее широко перерабатывается литьем под давлением. Перерабатывается легко, хорошо льется в широком температурном диапазоне (140-215 ºС) и при различном давлении. Обладает хорошей термостабильностью (при 240 ºС обладает термостабильностью в течение 2 мин). Блочный полистирол поступает в цех в виде гранул и не требует подготовки. Эмульсионный полистирол также поступает в гранулированном виде, но требует предварительной сушки при температуре 50-70 ºС в течение 30-40 мин. Он загрязнен эмульгатором, который при хранении притягивает влагу.

Из ПС можно изготовить прозрачные изделия. Следует строго соблюдать чистоту окружающей атмосферы и культуру производства.

При хранении полимера в результате трения частиц, они заряжаются статическим электричеством. При этом материал образует электромагнитное поле и притягивает пыль из окружающего воздуха, что приводит к снижению оптических характеристик.

Процесс литья ПС ведут в наиболее холодные формы (от 25 до 40-60 ºС). Если при литье в холодные формы изделия будут получаться с нежелательными внутренними напряжениями, то их желательно устранить путем термообработки. Она необходима, когда изделия будут эксплуатироваться при переменных температурах. Одним из способов термообработки является погружение изделия на 12-15 мин в воду при температуре 70-75 ºС.

Давление литья для полистирола составляет 400-600 кгс/см².

Особенностью полистирола является склонность к сжатию под давлением, что увеличивает сложность извлечения изделия. Усадка – 0,2-0,4 %.

Если перерабатывается УПС марок УПМ, УПС (суспензия) и АБС-пластик, то литье ведут при температуре 180-210 ºС и давлении 600-1000 кгс/см². Температура формы при этом – 50-55 ºС.

Поливинилхлорид (ПВХ) перерабатывается как пластифицированный, так и непластифицированный. Непластифицированный ПВХ литьем под давлением перерабатывается очень плохо, так как обладает высокой вязкостью расплава и низкой термостабильностью. Термодеструкция ПВХ идет по цепной реакции с выделением тепла и газов (HCl), которые взаимодействуют с металлом оборудования.

В силу того, что время термостабильности очень мало, то конструкция литьевой машины и формы не должна допускать задержку расплава в локальных местах на поверхности, так как эти места становятся очагом деструкции. Если деструкция произошла, то необходимо литье прекратить, произвести тщательную очистку формы и машины и после этого можно продолжить процесс.

В силу высокой вязкости расплава и активирующего действия напряжения сдвига на деструкцию ПВХ литниковые каналы должны иметь минимальное сопротивление для течения.

Литье пластиката, сополимеров винилхлорида не вызывает трудностей. Эти материалы льются в широком температурном диапазоне от 150 до 200 ºС при невысоком давлении – 500-900 кгс/см². Температура формы – 20-60 ºС. Усадка составляет 0,1% и возрастает с увеличением содержания пластификатора.

Переработку ПВХ желательно вести со шнековой пластикацией в порошкообразном виде, рекомендуется предварительный подогрев в бункере машины.

Полиэтилен (ПЭ) перерабатывается в гранулированном виде. Он имеет широкий диапазон температур плавления, поэтому льется в широком диапазоне температур и при низких давлениях. ПЭ характеризуется хорошей термостабильностью, но перегрев не желателен в силу возникновения деструкции. Полимер хорошо льется через литники малых сечений. При переработке ПЭ не требуется предварительная сушка.

Температура формы поддерживается на низком уровне. Пределом снижения температуры материала и формы является не трудность заполнения расплавом формы, а момент, при котором происходит ухудшение качества поверхности изделия. Литье в холодную форму позволяет получать изделия с более жесткой поверхностью. Из ПЭ хорошо льются тонкостенные изделия с толщиной стенки около 0,5 мм.

ПЭ изделия имеют различную усадку. Наименьшая усадка – 1,5 % – достигается при низкой температуре формы, высокой температуре расплава и высоком давлении. При несоблюдении этих параметров усадка увеличивается до 5 %.

Температура литья ПЭНП составляет 150-270 ºС, ПЭВП – 200-280 ºС (иногда до 300 ºС). Температура формы для ПЭНП – 20-60 ºС (90 ºС), для ПЭВП – 40-70 ºС (100 ºС).

Обладая хорошими литьевыми свойствами, ПЭ легко может перерабатываться в режиме интрузии При интрузии используется литьевая машина со шнековой пластикацией, но при этом происходит не впрыск материала, а нагнетание его в форму. Этим методом получают массивные крупногабаритные изделия массой до 50 кг и выше. Температурный режим выбирают в зависимости от массы изделия. Температура тем выше, чем больше масса изделия.

Для снижения внутренних напряжений изделия из ПЭ рекомендуется погружать в горячую воду с температурой 70-80 ºС на 2 ч.

При изготовлении тонкостенных изделий во избежание повреждения они выталкиваются с помощью сжатого воздуха.

Полипропилен (ПП) перерабатывают при температуре 200-280 ºС. Давление литья составляет 800-1400 кгс/см². Особенностью переработки ПП является то, что при его охлаждении имеет место большая усадка. Поэтому для предотвращения высокой усадки при повышенных температурах и давлении рекомендуется там, где это возможно снижать температуру, увеличивать давление, увеличивать время впрыска и время подпитки.

ПП по сравнению с ПЭ отличается меньшей термической устойчивостью.

ПП обладает важной особенностью: он способен резко снижать вязкость при увеличении градиента скорости сдвига. Поэтому на практике с целью облегчения процесса литья не увеличивают температуру расплава, а увеличивают скорость впрыска, то есть увеличивают давление.

Полиамиды (ПА) – высококристаллические полимеры с невысокой молекулярной массой. Они способны плавиться в узком температурном интервале (3-5 ºС), сильно уменьшая при этомвязкость. Полиамиды легко льются, но также очень легко вытекают через малые зазоры в форме.

Плавятся ПА при повышенных температурах. Отвердевание их тоже возможно при высоких температурах, а это существенно затрудняет процессы подпитки. Поэтому в случае литья ПА особенно сказываются усадочные явления. Для того, чтобы осуществить подпитку, литниковую систему желательно обогревать.

Для ПА очень важно, чтобы стенки формуемых изделий имели одинаковую толщину. Во избежание коробления изделий вне формы, охлаждение изделий рекомендуется проводить в форме до температуры не выше 80 ºС. Режим охлаждения изделий должен отрабатываться с учетом получения полимера желаемой структуры (кристаллический или частично аморфизированный).

В силу своего химического строения ПА отличаются высоким влагосодержанием. Литье их может производиться только с предварительной сушкой. Процесс сушки весьма длительный – до 80-100 ч при температуре 70 ºС. Поскольку ПА при увеличении температуры легко окисляются, то сушку желательно проводить в вакууме при инфракрасном обогреве и температуре 90-100 ºС. Вакуум предохраняет от окисления и при более высоких температурах (до 110 ºС). С увеличением температуры и с применением вакуума время сушки уменьшается до нескольких часов.

Температура плавления ПА довольно высока – 180-280 ºС. Для конкретных полимеров температура переработки выбирается на 10 ºС ниже температуры их плавления. Поскольку молекулярная масса ПА невысока, то давление литья также небольшое.

Полиамидные изделия, особенно толстостенные, предпочтительно лить с толстыми литниками и с увеличенным временем подпитки. Сопло литьевой машины должно иметь специальную конструкцию, которая снабжена запорным устройством и дополнительным подогревом до 265-275 ºС. Скорость впрыска для ПА выбирают высокой.

Поликарбонат (ПК) отличается от ПА высокой вязкостью расплава и высокой термостабильностью. Льется при повышенных температурах – 240-320 ºС. Давление литья – 800-1200 кгс/см².

Качество ПК изделий очень чувствительно к режимам литья, особенно зависит от температур расплава и формы. В изделиях создаются высокие остаточные напряжения, и это влечет последующее растрескивание изделия. ПК очень чувствителен и к содержанию влаги, потому он требует обязательной сушки. Сушат ПК до содержания влаги 0,05 %. После сушки ПК должен храниться в бункере машины в нагретом состоянии не более 30 минут, иначе опять насыщается влагой.

Скорость впрыска должна быть высокой и ограничена деструкцией. Температура формы – 90-120 ºС. Усадка ПК – 0,5-0,8 %.

ПК хорошо заполняет изгибы формующего инструмента. Изделия отличаются высокой стабильностью в процессе эксплуатации. Поликарбонат используется для формования изделий конструкционного назначения.

Полиметилметакрилат (ПММА) и сополимеры метилметакрилата. ПММА отличается высокой вязкостью расплава даже при высоких температурах, поэтому с трудом перерабатывается литьем под давлением. В чистом виде его практически не перерабатывают.

У акриловых полимеров температура размягчения и температура разложения близки. Температура литья – 180-250 ºС. При превышении этих температур наблюдается термодеструкция материала, поэтому в случае акриловых полимеров температура должна жестко контролироваться.

ПММА и другие полиакрилаты перед переработкой должны подсушиваться. Сушат их при температуре 65-90 ºС в течение 2-3 ч. Слой полимера в сушилках полочного типа не должен превышать 50 мм. После сушки перед переработкой его необходимо хранить в герметичной таре.

Давление литья акриловых полимеров составляет 800-1500 кгс/см², температура формы – 45-65 ºС (максимально – 70-80 ºС). При впрыске расплава в холодную форму в массе полимера образуются пузыри из-за резкого охлаждения. При впрыске материала в чрезмерно нагретую форму поверхность изделия получается недостаточно гладкой. Для снижения внутренних напряжений изделие желательно подвергать термообработке при температуре 75-85 ºС в течение 2 ч.

Акриловые полимеры в процессе литья легко электризуются, поэтому для того, чтобы получить изделия с высокими оптическими свойствами необходимо соблюдать высокую культуру производства.

Сополимеры ММК отличаются различными свойствами и режимами переработки друг от друга. Общим является то, что сополимеры требуют хорошей предварительной сушки и высокой культуры производства. В отличие от других термопластов при переработке акриловых полимеров не рекомендуется примешивать отходы к свежему материалу, так как это резко снижает основное свойство – прозрачность.

Полиформальдегид (ПФ) очень чувствителен к действию температур. Температура переработки различных марок полиформальдегида составляет от 160 до 210 ºС. Верхний температурный предел переработки ограничивается температурой, при которой наблюдается термодеструкция. Нижний температурный предел ограничен температурой, при которой материал становится текучим.

Особенностью переработки ПФ является ограниченное время пребывания его при повышенной температуре. При увеличении времени выдержки материала при повышенной температуре обычно изменяется окраска ПФ, а при дальнейшем увеличении наблюдается выделение мономерного формальдегида. В нормальных условиях концентрация формальдегида в помещении не должна превышать 1 мг/л воздуха.

При переработке ПФ предварительная сушка рекомендуется при переработке отходов полимера. Сушат материал при температуре 70-85 ºС в течение 2-3 ч. Перед началом переработки температура загрузочной зоны цилиндра не должна превышать 150-155 ºС. Охлаждение загрузочного отверстия неинтенсивное.

При литье в передней части цилиндра и в сопле устанавливается температура 165-175 ºС. Расплав ПФ обладает низкой текучестью, поэтому давление литья повышенное – 800-1200 кгс/см². Скорость впрыска ПФ на стадии заполнения формы должно быть максимальным, температура формы – 60-75 ºС (иногда повышают до 90-120 ºС). Усадка составляет 1,5-3,5 %.

Если формуемое изделие предназначено для работы при температуре выше 75 ºС, то желательно отформованное изделие подвергать термообработке. Для этого изделие нагревают в очищенном минеральном масле до температуры 160 ºС. При этом продолжительность нагрева выбирается в зависимости от толщины стенки изделия (от 10 до 25 мин).

Наполненные термопласты (НТ) имеют более высокую вязкость расплава, поэтому заполняют форму с большим усилием. С целью снижения вязкости расплава и осуществления литья необходимо увеличить температуру литья на 10-15 ºС по сравнению с ненаполненными аналогами.

С целью снижения вязкости в состав НТ лучше добавлять небольшое количество пластификатора. НТ отличается более высоким уровнем остаточных напряжений, поэтому введение пластификатора способствует протеканию релаксационных процессов.

Термостабильность НТ выше, чем у ненаполненных аналогов. Для большего уплотнения изделия требуется применение увеличения выдержек под давлением.

При литье НТ с волокнистым наполнителем и с крупнозернистым наполнителем наблюдается разделение наполнителя и связующего. Для предотвращения разделения следует увеличить сечение литниковых каналов и сократить их длину. Если длина волокнистого наполнителя не превышает 12-15 мм, то явление разделения значительно не проявляется. Толщина литниковых каналов и стенок изделия не должна быть меньше 2,5d величины наибольшего зерна наполнителя.

НТ в силу их состава обладают малой усадкой, поэтому образования раковин в изделиях и утяжин практически не наблюдается. Точность размеров формуемых изделий в случае НТ наиболее высокая.