Файл: Саваренский В.В. Изготовление деталей из полимерных материалов в текстильной промышленности.pdf

Расплавленным полимерам свойственны две вязко­ сти: Шведовская и Бингамовская. Первая соответствует течению жидкости с частично разрушенной структурой, вторая проявляется у полимера с предельно разрушен­ ной структурой, когда периферийные зоны большинства надмолекулярных структур разрушены.

При течении расплавленного полимера для поддер­ жания постоянного градиента скорости требуется опре­ деленное напряжение, компенсирующее внутреннее тре­ ние и гидравлические сопротивления. Это напряжение называется напряжением сдвига. Определяется оно экс­ периментально, а количественно связано с вязкостью и является одной из ее характеристик.

Наибольшее сопротивление испытывает материал при входе в литниковое отверстие (входовое сопротив­ ление).

Вязкость, усилие сдвига, градиент скорости и гидрав­ лические сопротивления системы, в которой происходит изготовление детали, являются величинами, определяю­ щими течение полимера. Между ними имеется связь, за­ висящая от структуры полимера.

В жидкости при приложении силы развивается необ­ ратимая деформация: непрерывно изменяется форма жидкости, она течет. Суммарная деформация склады­ вается из перемещения части материала и деформаций упругой и неупругой. Если преобладает деформация пе­ ремещения частиц, то градиент скорости пропорциона­ лен усилию сдвига. Эта зависимость описывается урав­ нением Ньютона

где г] — вязкость;

~ — градиент скорости.

20

При изменении давления, которое испытывает такая жидкость, ее вязкость не изменяется. Так как это воз­ можно только при очень слабых связях между частич­ ками жидкости, полимеры в таком состоянии, естествен­ но, находятся лишь при высоких температурах и гра­ диентах скорости.

При течении конечные надмолекулярные структуры зацепляются одна за другую выступающими периферий­ ными зонами, которые при этом деформируются. Если давление, испытываемое полимером, относительно не­ большое, эта деформация обратима; при повышении давления она становится необратимой. Указанное явле­ ние связано с изгибом лучей и их ответвлений, которые при небольшой нагрузке изгибаются упруго, а при ее увеличении неупруго или даже ломаются.

Процесс частичного разрушения периферийных зон надмолекулярных структур происходит в начале процес­ са течения полимера. Так как разрушение требует рас­ хода энергии, этот процесс называется энергетическим.

Для поддержания постоянного градиента скорости необходимо перемещать надмолекулярные структуры и разрушать их периферийные зоны. В этом случае нужно высокое давление, обеспечивающее большое усилие сдвига. При усилении течения периферийные зоны над­ молекулярных структур все больше и больше разру­ шаются. Расход энергии на поддержание градиента скорости непрерывно падает, давление и усилие сдвига тоже падают (у некоторых полимеров резко).

Падение усилия сдвига происходит до тех пор, пока периферийные зоны конечных надмолекулярных струк­ тур не разрушатся наиболее полно. После этого усилие сдвига и давление, необходимое для поддержания по­ стоянного градиента скорости, уже не изменяются.

21

В процессе разрушения элементов надмолекулярных структур расплавленный полимер не подчиняется зако­ номерностям, описываемым уравнением Ньютона. Это уравнение справедливо, когда у полимера надмолеку­

значения, то материал в литник не войдет. Точка пере­ сечения прямолинейного участка графика с той же осью абсцисс соответствует второму пределу текучести, при превышении которого резко изменяется вязкость мате­ риала. Оба предела текучести связаны с изменениями надмолекулярных структур, происходящих в процессе течения.

При напряжениях, соответствующих первому пределу текучести, материал начинает приобретать минимальную подвижность, достаточную для входа в литник. Одно­ временно начинается разрушение периферийных зон надмолекулярных структур. Материал подчиняется за­

2 2

кономерностям Шведовской вязкости. Его градиент ско­ рости непропорционален усилию сдвига.

При напряжениях, соответствующих второму пределу текучести, периферийные зоны максимально разрушены, связь между конечными надмолекулярными структурами ослаблена так, что они перемещаются без деформаций. Здесь применимы закономерности Бингамовской вязко­ сти, появляется пропорцио­

лена зависимость между вяз­ костью и градиентом скорости для многих полимеров (рис. 5). При повышении градиента скорости вязкость сначала рез­ ко падает, затем, начиная с определенного предела, интен­ сивность падения замедляется, и вязкость постепенно прибли­ жается к определенному пре­

делу, не зависящему от градиента скорости. При повы­ шении температуры крутизна кривой, показывающей за­ висимость вязкости от градиента скорости, уменьшается. При одинаковых значениях градиента скорости с повы­ шением температуры вязкость падает.

Переход от резкого падения вязкости к плавному происходит при тех же значениях градиента скорости, при которых происходит резкое изменение напряжения сдвига, соответствующее изменению вязкости от Шве­ довской к Бингамовской.

23

Существенной реологической закономерностью также является графическая зависимость усилия сдвига от вре­ мени при постоянном градиенте скорости (см. рис. 2). Крутизна падения кривой зависит от прочности надмо­

определенному пределу, выше которого не поднимается при любых градиентах скорости.

Как и всякая гидравлическая величина, входовое со­ противление зависит от размеров литника. При умень­ шении диаметра литника оно увеличивается. График зависимости указанного сопротивления от градиента

Входовое сопротивление уменьшается при увеличении температуры.

24

Характеризует процесс течения также и форма струй­ ки, вытекающей из литника. При круглых литниках она круглая, но ее диаметр при определенных значениях градиента скорости увеличивается сразу после выхода из литника. Если литник имеет диаметр меньше 2 мм, то выходящая из него струйка пульсирует, а при очень больших значениях градиента скорости разбивается на отдельные капли. Изменения в форме и размерах струй­ ки происходят в результате распрямления надмолеку­ лярных структур, смятых сильным давлением, которое возникает в канале литника.

Все сказанное справедливо для случая течения поли­ мера, когда он движется по прямому каналу, и траекто­ рии всех его частиц параллельны. Такое течение полу­ чается при перемещении материала с помощью поршня. Но возможно также перемещение материала в емкости с помощью вращающегося шнека, который будет равно­ мерно передавать давление на вещество большого объ­ ема. Давление при этом направлено перпендикулярно к плоскостям шнека. Направление этого давления непре­ рывно изменяется; соответственно изменяется и направ­ ление движения каждой частички материала. В связи с этим в массе полимера трение более интенсивно, чем при прямолинейном движении, получаемом в случае исполь­ зования поршня.

Закономерности течения полимера при использовании шнека такие же, как и при использовании поршня. Аб­ солютные значения отдельных величин другие: при уве­ личении малых значений градиента скорости усилие сдвига увеличивается значительно быстрее; перегиб кри­ вой зависимости градиента скорости от усилия сдвига менее резкий; значительно меньше различие между пре­ делами текучести и т. д. При повышении температуры зависимость усилия сдвига от градиента скорости при­

25

ближается к пропорциональной для малых значений градиентов скорости. При достаточно высоких темпера­ турах теоретически можно получить прямолинейную за­ висимость усилия сдвига от градиента скорости для всех его значений. При повышении температуры соответст­ венно уменьшается и различие между пределами теку­ чести. При тех температурах, при которых получается прямолинейная зависимость усилия сдвига от градиента скорости, оба предела текучести сливаются.

При невысоких значениях градиента скорости струй­ ка материала, выходящая из литника, гладкая. Начиная с определенного градиента скорости струйка становится бугристой. При дальнейшем увеличении градиента ско­ рости бугры становятся больше, потом появляется пуль­ сация, возможны и разрывы струйки.

Особенности течения материала под воздействием шнека можно объяснить высокой интенсивностью проис­ ходящего в материале трения, в результате которого быстрее разрушаются периферийные зоны надмолеку­ лярных структур. Разрушение происходит быстрее и при относительно малых значениях градиента скорости пол­ нее, чем при поршневом перемещении полимера. Кроме того, разрушение облегчается действием высокого дав­ ления, которое передается от плоскости шнека, непре­ рывно изменяющей свое положение. Из-за глубокого разрушения периферийных зон надмолекулярных струк­ тур трение между ними при перемещении материала меньше. Деформации оставшихся частей надмолекуляр­ ных структур исключаются, взаимодействие между ними ослаблено. Материал имеет меньшую вязкость.

При использовании шнека возможны некоторые про­ цессы, которые могут ухудшить качество изготавливае­ мой детали. При действии сильного трения в сочетании с большим давлением возможно разрушение централь­

26

ной зоны надмолекулярных структур, а также появление свободных пачек и иногда макромолекул. При очень ин­ тенсивном трении возможны и процессы механодеструк­ ции, связанные с разрывом цепей отдельных макромоле­ кул. Отсюда снижение молекулярного веса полимера. Наиболее вероятна механодеструкция в канале литника. Содержащий свободные пачки и макромолекулы поли­ мер, в котором у некоторых надмолекулярных структур центральные зоны деформированы и частично разруше­ ны, очень неустойчив. При отверждении или остывании в рабочей емкости формы он образует неоднородные надмолекулярные структуры, что является причиной по­ явления в детали внутренних напряжений и, следова­ тельно, снижения ее механической прочности.

Разрушение надмолекулярных структур ускоряется при повышении температуры, так как при этом усили­ ваются колебания концевых групп макромолекул. Концы пачек размываются, связь между ними ослабевает. В ре­ зультате уменьшается прочность их связей в надмолеку­ лярной структуре. Процессы разрушения ускоряются и повышением гибкости цепей макромолекул, связанной с высокой температурой. Ускоренное разрушение пери­ ферийных зон надмолекулярных структур при повыше­ нии температуры объясняет приближение зависимости усилия сдвига от градиента скорости к пропорциональ­ ной, а также резкое снижение вязкости и сближение пределов текучести, наблюдаемые при этих условиях.

При изготовлении детали из полимерного материала необходимо подобрать такие параметры технологическо­ го процесса, которые обеспечат наибольшее разрушение периферийных зон конечных надмолекулярных структур, неизменность их центральных зон и отсутствие в мате­ риале свободных макромолекул и отдельных пачек. В случае обеспечения таких параметров образуются

27

надмолекулярные структуры, размеры которых разли­ чаются незначительно, форма не искажена и которые распределены равномерно в массе изготавливаемой де­ тали. Изготовленная деталь тогда будет иметь наиболь­ шую прочность и сохранять ее в течение всего срока своей работы.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТЕКСТИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

При ремонте и модернизации текстильных машин детали из полимерных материалов изготавливают литьем под давлением, пресслитьем и прямым прессованием.

Литье под давлением

При изготовлении детали литьем под давлением по­ лимерный материал расплавляется, доводится до необ­ ходимой температуры и под давлением заливается в ра­ бочую емкость формы, где затвердевает, образуя гото­ вую деталь. Когда процесс заканчивается, форму раскрывают и готовую деталь вынимают. У нее отламы­ вают приливы, образованные материалом, затекшим в литники и воздушные отверстия, и доводят при необхо­ димости до нужных размеров.

Литьем под давлением изготавливают детали из тер­ мопластичных материалов, сохраняющих после охлажде­ ния расплава свойства, которые были характерны для них до расплавления.

Сырье должно удовлетворять определенным требова­ ниям. В качестве сырья для термопластичных литьевых полимерных материалов используют выпускаемые хи­ мической промышленностью гранулированные термо­

28