Технологии

В результате применения технологии вспенивания получают изделия, имеющие, так называемую интегральную структуру: плотную оболочку и вспененную сердцевину. Такие изделия нашли широкое применение благодаря таким свойствам как:
- малый, по сравнению с монолитным изделием тех же размеров удельный вес;
 - низкий уровень внутренних напряжений;
 - хорошие акустические свойства;
 - повышенная жесткость при меньшем весе;
 - высокая размерная точность;
 - отсутствие утяжин и коробления.

Формирование интегральной структуры в изделиях происходит при литье под давлением термопластов в форму, имеющую полость достаточной толщины, при этом термопласт должен содержать специальные газообразователи или сами газы. При впрыске расплава термопласта в форму давление резко падает, содержащийся в расплаве газ расширяется, происходит вспенивание композиции и формование изделия.

Источниками газа в расплаве термопласта могут служить:
- химические газообразователи (ХГО), соединения, способные разлагаться при температуре переработки термопластов с выделением газообразных продуктов:
 - физические газообразователи (ФГО), низкокипящие жидкости, выделение газа из которых происходит за счет испарения.

Одним из наиболее распространенных способов, разработанных в НПО «Пластик», является вспенивание с помощью ХГО. Для вспенивания следует использовать литьевые марки ПЭВП, ПЭНП, ПП, ПС, УПС, АБС с высоким индексом расплава. В качестве ХГО применяют азодикарбонамид (ЧХЗ-21), который представляет собой кристаллический порошок ярко-желтого цвета, разлагающийся при Т = 170 – 180 С с выделением азота (65 %), окиси углерода (31.5%) и двуокиси углерода (3.6%). С точки зрения улучшений условий труда предпочтительно использовать концентраты на основе базового термопласта, ХГО и других необходимых добавок, в том числе и антикоррозионных. В качестве ХГО может использоваться также бикарбонат натрия NаНСО, при разложении которого выделяется двуокись углерода и вода. Обычно применяют смесь NаНСО и лимонной кислоты в соотношении 10 : 1, в этом случае кислота служит активатором выделения газообразных продуктов.
Точное количество ХГО следует подбирать для каждой детали индивидуально, в зависимости от назначения, желаемой плотности, конфигурации детали и т.д. В общем случае, чем проще конфигурация изделия или чем больше толщина стенок, тем меньше должна быть концентрация газообразователя.

На основании практического опыта условно определены три группы изделий, требующие разного уровня концентрации газообразователя:
 - для разнотолщинных изделий, имеющих ребра жесткости, а также для устранения утяжин и коробления концентрация газообразователя определятся как 0.01 – 0.05%,
- для изделий, плотность которых должна быть уменьшена на 5 – 10 % (например ящики тарные и т.д.) концентрация ХГО - 0.15-0.5 %,
 - для изделий с плотностью, уменьшенной на 30 – 40 % с более тонкой сплошной оболочкой и ячеистой сердцевиной (например: детали мебели, корпусов приборов и т.п.) концентрация ХГО 0.5 - 1.5 %.

Требования к термопластавтоматам при литье вспененных термопластов следующие:
- пластикатор должен быть червячного типа, шнек рекомендуется трехзонный с зоной загрузки 50 – 60 %, зоной дозирования 20 % от общей длины шнека и степенью пластикации от 2:1 до 3:1. Для полиолефинов, обладающих повышенной газопроницаемостью, рекомендуется шнек длиной 20D и более.
- возможность создавать повышенные скорости впрыска, что обеспечивается установкой газожидкостных аккумуляторов,
- наличие самозапирающего или гидравлически управляемого сопла для предотвращения вытекания или преждевременного вспенивания термопласта,
 - малые усилия запирания по сравнению с традиционными термопластавтоматами и сниженные удельные давления литья, так как впрыск в форму производится с недоливом, а изделия окончательно оформляются за счет внутреннего давления расширяющихся газов,
 - увеличенные размеры крепежных плит (для формования крупногабаритных изделий).

Формующий инструмент для литья вспененных термопластов имеет облегченную конструкцию вследствие относительно небольшого внутреннего давления, не требуется также тщательной полировки формы.

Литниковая система имеет также ряд особенностей:
- предусматривают короткие литниковые каналы круглого сечения, причем сечение увеличено,
- впуск осуществляется в центральную часть изделий (для небольших размеров),
 применяются горячеканальные системы литников (2-4 впуска) для изделий больших размеров, причем разводящие каналы имеют такое же поперечное сечение, что и центральный литник.
Для обеспечения высоких скоростей впрыска обязательно эффективное вентилирование литьевой формы, поэтому необходимы вентиляционные каналы, которые должны быть рассчитаны таким образом, чтобы за время впрыска обеспечить удаление 60–80 % воздуха из формы. Вследствие меньшей по сравнению с монолитным изделием теплопроводностью изделий из частично вспененных термопластов и большой толщиной требуется интенсивное охлаждение материала с большей теплопроводностью по сравнению со сталью, например из алюминия или его сплавов. Особенности технологического процесса литья изделий из частично вспененных термопластов, конструирование изделий из них. Азодикарбонамид или концентрат газообразователя необходимо сушить перед подготовкой композиции. Смешение ХГО с термопластом производят в смесителях любого типа. Можно концентрат ХГО дозировать непосредственно дозатором в бункер литьевой машины. Температурный режим процесса такой же, как и для традиционных термопластов. Однако температура первой зоны не должна быть выше температуры разложения газообразователя. Время охлаждения при литье всех типов вспененных термопластов довольно высоко, так как толщина изделий 4–20 мм, а теплопроводность при вспенивании падает. Наименьшее время охлаждения имеют аморфные жесткие термопласты, например АБС пластик. При увеличении толщины стенки изделия время охлаждения растет пропорционально квадрату толщины. Это следует учитывать при конструировании новых изделий.
Доза впрыска зависит от требуемой плотности и других свойств изделия и в каждом конкретном случае подбирается.
В качестве физических газообразователей широкое распространение в западных технологиях имеет азот и углекислый газ. Использование ФГО требует создания специального аппаратурного оформления процесса, а литьевые машины и формующий инструмент имеют ряд конструктивных изменений.
В настоящее время разработана новая технология МuСеll - «технология литья под давлением изделий из полимерных материалов микроячеистой структуры». Технология МuСеll разработана и лицензирована американской компанией Тгехеl, была продемонстрирована на выставке К-2001 в октября 2001 г. в Дюссельдорфе (Германия), первые практические результаты ее применения были доложены на всемирном конгрессе 8АЕ в марте 2002 г. В этом методе вспенивание происходит за счет применения физического газообразователя (азота или углекислого газа), который в сжиженном состоянии подается в расплавленный полимерный материал, находящийся в цилиндре литьевой машины.

Технологический процесс МuСеll производства изделий литьем под давлением из полимерных материалов микроячеистой структуры включает следующие основные стадии:
- Подача материала. Из бункера литьевой машины гранулы термопластичного ПМ поступают в материальный цилиндр, нагреваются и плавятся по мере перемещения материала шнеком вдоль цилиндра. Для технологии МuСеll применяются специальные материальный цилиндр и шнек с отношением L/D равным 28:1.

- Подача газа. С помощью специальной системы SCF газ в суперкритическом состоянии (сжиженный) сквозь порты ввода в материальном цилиндре литьевой машины подается в зону, в которой ПМ находится в расплавленном состоянии.

- Распределение газа на молекулярном уровне. При интенсивном перемешивании благодаря специальной конструкции шнека создаются условия для однородного и мельчайшего диспергирования на молекулярном уровне газовой фазы, а затем при резком расширении возникает ячеистая структура нуклеинового уровня, которая контролируется изменением параметров давления и температуры. В зоне подачи газа материального цилиндра вследствие совмещения газа с расплавом полимерного материала и образования мельчайшей ячеистой структуры наблюдается увеличение текучести (до 50%) и снижение температуры текучести, например, для полипропилена с 220°С до 150°С, для полистирола с 220°С до 125°С, а для полисульфона с 370°С до 295°С.

- Литье под давлением. Впрыск расплава ПМ с нуклеиновой ячеистой структурой в литьевую форму типовой или облегченной конструкции. Создаются более благоприятные условия для заполнения оформляющих полостей формы и получения бездефектных изделий.

- Охлаждение расплава ПМ в форме. При попадании расплава в оформляющие полости формы происходит увеличение размеров нуклеиновых ячеек, быстрое растекание расплава и заполнение полостей, формирование тонкой сплошной полимерной оболочки изделий на охлажденных поверхностях оформляющих полостей, а по толщине стенок изделия - формирование пенопласта однородной ячеистой структуры с размерами ячеек от 5 до 50 мкм. Эти процессы в форме обуславливают сокращение времени выдержки под давлением и на охлаждение. В отформованных изделиях не наблюдается усадочных утяжин, «холодных» спаев и коробления после извлечения из формы.

Экспериментально подтверждены следующие особенности МuСеll технологии литья под давлением технических термопластов с однородной микроячеистой структурой:
– Наилучшие результаты и воспроизводимая микроячеистая структура достигается при использовании в процессе литья под давлением углекислого газа или азота (в суперкритическом состоянии),
– Обеспечение экологической чистоты производственного процесса,
– Улучшение пластикации расплавов термопластов в материальном цилиндре литьевой машины по сравнению с традиционным процессом литья под давлением,
– Применимость технологии к большинству промышленно освоенных технических и специальных термопластов.
В настоящее время многие ведущие западные фирмы предусматривают установление дополнительного оборудования для реализации этой технологии на литьевых машинах собственной разработки.

Н.М. Чалая, к.т.н., ОАО МИПП - НПО «Пластик»
О.Я. Михасенок, к.т.н., Инф.бюллетень «Полимерные материалы»

Источник: Пластические массы