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

пласты. Часто используют вторичные материалы (отхо­ ды от литья полимерных деталей, изношенные детали или брак литья). Любое полимерное сырье должно быть чистым. В условиях же фабрики в него могут попасть сода, хромпик, различные красители, металлическая стружка, пыль, окислы металлов, формовочная земля. При высокой температуре, которую имеет расплавлен­ ный полимер, посторонние вещества могут вступить с ним в реакцию, что значительно изменит свойства изго­ тавливаемой детали.

Некоторые примеси при высокой температуре могут выделять газы, которые, попав в изготовляемую деталь, образуют в ней пустоты, снижающие ее механическую прочность. Если образуется большой газовый пузырь, то деталь может совсем не получиться.

Если в расплавленном материале находятся метал­ лические примеси или песок, то при перемещении мате­ риала по литниковой системе формы и заполнении ее рабочей емкости металлическая поверхность формы бу­ дет быстро изнашиваться. В результате форма быстро станет непригодной для работы. Кроме того, наличие металлических примесей в готовой детали приводит к быстрому изнашиванию поверхностей сопряженных с ней деталей машины.

Многие виды полимерного сырья способны поглощать из атмосферы значительное количество влаги (капрон, например до 8%)- При нагревании материала влага ис­ паряется и образует газовые пузыри, которые иногда достигают больших размеров, и попадая в деталь, обра­ зуют в ней пустоты. Иногда при большом содержании влаги расплавленная масса вспенивается образующимся паром, и изготовленная из нее деталь получается пори­ стой и очень непрочной.

29

Плавится полимерное сырье обычно в емкости аппа­ рата, которая нагревается электрическим нагревателем, расположенным на ее внешней стенке. Тепло сначала передается слоям материала, расположенным около сте­ нок, затем, проходя через них, оно поглощается внутрен­ ними слоями, расположенными близко к центру пла­ вильной емкости. Так как полимерные материалы имеют низкую теплопроводность, в процессе нагрева для рас­ плавленной массы будет характерна температурная не­ однородность. Самую высокую температуру будут иметь слон, расположенные близко к стенкам, и самую низ­ кую— слои, находящиеся в середине. Поскольку мате­ риал при перемещении его поршнем в плавильной емко­ сти не перемешивается, для обеспечения необходимой текучести приходится поддерживать нужную темпера­ туру центральных слоев массы. Слои же, расположен­ ные около стенок, будут перегреты.

Если полимерное сырье имеет крупные гранулы, то поверхность каждой гранулы будет нагреваться интен­ сивнее, чем ее центр.

Так как повышение температуры облегчает разруше­ ние надмолекулярных структур, при температурной не­ однородности возникает и неоднородность структурная. Различные участки объема расплавленной массы поли­ мерного материала имеют различное количество свобод­ ных пачек, надмолекулярные структуры разрушены в различной степени. Это обстоятельство может быть при­ чиной возникновения внутренних напряжений в деталях и различных структур в разных деталях, изготовленных из одной партии полимерного материала, что будет влиять на их прочность.

В расплавленном полимерном материале при дейст­ вии кислорода воздуха возможна термоокислительная деструкция. В процессе деструкции разрывается цепь

30

макромолекулы. Разрыв возможен и в нескольких ме­ стах. Разорвавшиеся концы становятся свободными ра­ дикалами, которые рекомбинируются, образуя новые макромолекулы, соответствующие высокой температуре. В процессе рекомбинации возможны сшивки, образую­ щие в полимере пространственную структуру. Возможно также снижение молекулярного веса части материала и повышение из-за этого полидисперсности расплавленной массы.

Значительно облегчает разрыв макромолекулы кис­ лород. Он окисляет некоторые звенья макромолекул, об­ разуя у них перекисные группы, которые, распадаясь, оставляют активные центры. Эти центры способствуют образованию поперечных сшивок, появлению простран­ ственной структуры.

Кислород может также, образуя оксирадикалы, пре­ образующиеся в гидроперекиси, которые распадаются с образованием свободных радикалов, начать цепные реакции деструкции, которые быстро изменят структуру материала.

Возрастание температуры приводит к повышению интенсивности термоокислительной деструкции. Чем дольше полимерные материалы находятся в расплавлен­ ном состоянии, тем глубже происходят деструкционные процессы.

Длительная выдержка материала в расплавленном состоянии приводит к резкому изменению его структуры. Деталь, изготовленная из него, содержит некоторое ко­ личество продуктов окисления полимера, придающих ей мутный, грязный оттенок. Составляющий ее полимер имеет пространственные сшивки, придающие детали

хрупкость и сильно снижающие ее механическую проч­ ность.

3 L

При входе расплавленного материала в литник его поток сужается. При больших скоростях возможно появ­ ление некоторых завихрений, увеличивающих гидравли­ ческое сопротивление. Скорость течения зависит от дав­ ления и вязкости материала. Так как диаметр литника значительно меньше диаметра плавильной емкости, гра­ диент скорости в литнике и напряжение сдвига увеличи­ ваются. Полимеры не подчиняются закону Паскаля. Поток расплавленного полимера оказывает наиболь­ шее давление на плоскости, перпендикулярные его направлению. На стенки литника поток полимера, не имеющий завихрений, оказывает очень слабое давление. При появлении же завихрений давление резко воз­ растает.

Перемешивание материала, неизбежное при завихре­ ниях, и большое давление на стенки литника создают интенсивное трение в литниковом канале, повышают его гидравлическое сопротивление. Сильное трение способ­ ствует деформированию надмолекулярных структур, большему разрушению их периферийных зон, сжиманию центральных зон. Внутри литникового канала продукты разрушения периферийных зон надмолекулярных струк­ тур ориентируются параллельно оси литника. Возможно также глубокое разрушение их с выделением свободных пачек, которые аналогично ориентируются параллельно оси литника. Трение расправляет искаженные структур­ ные элементы, ориентирует их.

При больших скоростях течения расплавленного ма­ териала в литнике возможна, кроме того, механодест­ рукция, снижающая молекулярный вес полимера, повы­ шающая его полидисперсность, создающая в нем структурные неоднородности, которые влияют на каче­ ство изготавливаемой детали так же, как и перепады температуры.

32

Сложность структурных изменений, которые проис­ ходят в материале, текущем по литнику, и процессов, связанных с гидравлическими закономерностями, яв­ ляется причиной высокого гидравлического сопротивле­ ния литника. Сопротивление литника падает с повыше*

Рис. 7. Кривые зависимости сопро­ тивления литника от длины при различных градиентах скорости

в сек

/ — 1750; / / —456; / / / —72; IV — 17,5

нием температуры, но увеличивается пропорционально его длине (рис. 7). Оно резко увеличивается при повы­ шении скорости течения и уменьшении диаметра литни­ ка. Если литник имеет температуру настолько низкую, что материал будет охлаждаться, то изготавливаемая деталь может иметь большие внутренние напряжения.

Качество готовой детали зависит и от особенностей заполнения рабочей емкости формы расплавленным ма­ териалом. Пройдя литник, полимер сразу растекается по рабочей емкости. Его струйка при этом значительно

расширяется, и давление в ней резко падает. Величина падения давления определяется структурой расплавлен­ ного материала. Количественно она зависит от входо­ вого и гидравлического сопротивлений литника, а также вязкости материала. Определить потери давления в струйке можно по величине среднего давления.

Заполнение рабочей емкости формы при изготовле­ нии детали должно проходить равномерно, что возмож­ но только при ровной струйке. Если она пульсирует, то сначала заполняется верхняя часть рабочей емкости, ко­ торая уплотняется и проталкивается внутрь новыми порциями материала. В этом случае изготавливаемая деталь будет неравномерной плотности, неравномерно будут распределены упорядоченные и неупорядоченные составляющие. Деталь может быть местами рыхлой, ме­ нее прочной, иметь внутренние напряжения.

Качество изготавливаемой детали зависит также и от температуры формы. Когда материал заполнит рабо­ чую емкость, в нем начинаются процессы образования периферийных зон конечных надмолекулярных структур, разрушенных при расплавлении и течении полимера. Эти процессы зависят от изменения уровня свободной энер­ гии полимера, на который влияет изменение его темпе­ ратуры. Поэтому свойства детали зависят от скорости охлаждения ее в форме.

Температура формы сказывается и на механике за­ полнения ее рабочей емкости расплавленным материа­ лом. Поток материала, соприкасаясь с формой, охлаж­ дается, от этого его вязкость повышается. В результате распределение такого материала по профилю рабочей емкости затрудняется. На поверхности потока может об­ разоваться тонкая затвердевшая пленка, которая под давлением, испытываемым материалом, разрывается, и ее частички мешают равномерному заполнению рабочей

34

емкости. Эти частички могут попасть в массу детали как инородные включения, в связи с чем поверхность дета­ ли будет слабо слоистой, с низкой механической проч­ ностью.

Необходимо учитывать скорость охлаждения формы» заполненной расплавленным полимером. При понижении температуры уменьшается подвижность структурных элементов и концевых групп макромолекул, которые принимают упорядоченное положение, образуют пери­ ферийные зоны надмолекулярных структур. Если темпе­ ратура падает с очень большой скоростью, то структур­ ные элементы не успевают принять упорядоченное по­ ложение. Быстро теряя подвижность, они получают ис­ каженную форму, размеры их сильно отличаются друг от друга. В детали возникают значительные внутренние напряжения, которые можно снять в процессе ее работы. Правда, при этом возможно изменение формы детали» ее усадка и даже коробление, что нежелательно.

Выше уже говорилось о том, как важно, чтобы в сырье не было никаких примесей. Сырье нужно очистить любым доступным способом, включая и магнитную се­ парацию. После очистки сырье сушится до получения минимальной остаточной влажности. Целесообразно для этого использовать вакуумный метод.

При плавлении температурные и соответственно структурные неоднородности можно устранить постепен­ ным нагревом, при котором скорость поглощения тепла внешними слоями расплавляемого материала будет меньше. Следует также рационально подобрать габарит­ ные размеры плавильной емкости. Площадь ее попереч­ ного сечения должна быть по возможности наименьшей.

Для предотвращения термоокислительной деструкции необходимо, чтобы материал в процессе изготовления из него детали имел минимальную температуру. Так как у

некоторых материалов в расплавленном состоянии всег­ да происходит термоокислительная деструкция, следует быстрее изготавливать детали из расплавленной массы. Для этого одновременно нужно расплавлять то количе­ ство сырья, которое можно переработать, пока оно не успеет изменить свой состав так, чтобы это повлияло на изменение свойств изготавливаемых деталей. Наиболее допустимая продолжительность выдержки основных тер­ мопластичных полимерных материалов в расплавленном состоянии следующая (в мин):

Очень важно установить правильно режим течения расплавленного материала. Давление на него должно быть таким, чтобы усилие сдвига приближалось ко вто­ рому пределу текучести. Именно тогда структура мате­ риала наиболее однородна, его вязкость и гидравличе­ ские сопротивления литьевой системы возможно мень­ шие. Дальнейшее снижение вязкости расплавленного полимера ведет уже к снижению прочности изготавли­ ваемой детали.

Когда для перемещения расплавленного материала используется поршень, давление в плавильной емкости устанавливается не сразу, и начинать изготовление де­ тали нужно только через одну или две секунды после сжатия расплавленной массы. Следует помнить, что на

.36