В отношении самого материала необходимо знать основные параметры состояния полимера, которые графически выражаются с помощью кривых зависимости параметров от давления, в которых на оси абсцисс откладывается температура, а но оси ординат удельная емкость (обратно пропорциональная плотности материала). Такая диаграмма обычно фигурирует под сокращенным названием диаграмма PvT. Кроме свойств самого материала, на усадку влияют также технологические характеристики, такие как давление уплотнения, температура плавления и время уплотнения, которые влияют на количества материала, который может быть введен после наполнения. Таким образом, эти характеристики определяют степень усадки. Геометрические свойства литой детали влияют на степень усадки в основном в зависимости от толщины стенок. При этом особое значение имеет толщина точки впрыска (литника), ибо при забивке этой точки предотвращается дальнейшее попадание материала внутрь, и он выступает «инициатором усадки». Самым тонким аспектом является точное описание поведения состояния полимера, ибо кроме объемной усадки в гомогенном состоянии, имеются также дополнительные усадочные явления, связанные со сменой состояния в основном вследствие процессов кристаллизации в полимере. С точки зрения усадки пластмассы могут быть разделены на аморфные и полукристаллические структуры. Аморфные пластмассы отличаются более низкой объемной усадкой по сравнению с полукристаллическими материалами. Линейная усадка аморфных материалов редко превышает 1 %, в то время как в полукристаллических пластмассах она, как правило, достигает уровня около 2-3% в зависимости от материалов, переменных процесса и толщины стенок. В полукристаллических материалах сегменты молекулы полимера складываются на себя, образуя листы и формируя тем самым сложную сферическую структуру, носящую название кристаллита. Упорядоченная структура, приобретаемая полимером, снижает беспорядочные объемные свойства, характерные для аморфной фазы, снижая тем самым удельный объем и повышая плотность. Основываясь по показателях более высокой плотности кристаллической фазы в отличии от более низкой плотности аморфной фазы, можно рассчитать степень кристалличности строения полимера, исходя из предпосылки о линейности перехода из одной фазы в другую. Чем выше степень кристалличности структуры, достигаемой в ходе процесса под воздействием температуры формования и в зависимости от времени охлаждения, тем выше плотность материала и степень усадки. Остальные молекулярные цепочки, не приобретающие упорядоченной формы, остаются в беспорядочном состоянии, составляя собой аморфную фракцию. При охлаждении неизбежно происходит понижение удельного объема. Для определения степени усадки изделия применяется диаграмма PvT определенного материала изготовления, принимая в рассмотрение различные фазы обработки (которые варьируют в зависимости от условий формования). Конечные размеры детали могут быть изменены (в определенных переделах) за счет повышения давления выдержки и впрыскивания больших количеств материала в форму. После определения теоретической степени усадки на фазе проектирования (и таким образом получив прогноз конечного теоретического удельного объема), мы подбираем под него точное давление упаковки. Этот же метод с использованием диаграммы PvT применим и к аморфным материалам. В качестве примера возьмем поликарбонат (конкретнее Makrolon 1239), кривая PvT которого приведена ниже на рисунке. Установленная температура расплава согласно технологии составляет 300 °С. Предположим, что температура пресс-формы остается на неизменном уровне 80 °С; давление выдержки в первый момент составляет 400 бар, а выдержка после прессования равна 14 секунд. Она рассчитана из соображения, что непроточная температура была равна 160 °С. Средняя температура во всех точках стены составляла 100 °С при извлечении. На графике представлены точки от 1 до 6, соответствующие последующим фазам процесса. Фаза впрыска соответствует промежутку между точкой 1 и точкой 2. В точке 2 начинается фаза прессования полимера, которая завершается в точке 3. В данном примере, заданное давление удерживается на уровне 400 бар до достижения точки 3, в которой предполагается, что литник достигает непроточной температуры. После достижения точки 3, в которой происходит затвердевание литника, поступление полимера внутрь прекращается. На участке от точки 3 до точки 4 происходит линейное сжатие, обуславливаемое падением температуры и расширением вследствие понижения давления до достижения уровня атмосферного давления. Начиная с точки 4, начинается усадка детали, причем сначала усадка происходит внутри пресс-формы (до достижения точки 5, т.е. момента выталкивания) и затем продолжается до достижения точки 6, когда деталь сравнивается по температуре с температурой окружающей среды. Начиная с точки 4 (при удельном объеме 860 куб.м/кг), когда материал занимает все доступное пространство пресс-формы, начинается усадка материала и деталь отделяется от стенок. В точке 6 в момент сравнивания с температурой окружающей среды, удельный объем материала достигает 834 куб.м/кг. Таким образом деталь сократилась в объемах от максимального объема 860 куб.м/кг до минимального уровня (834 куб.м/кг), что в абсолютном выражении равно 26 куб.м/кг и составляет усадку в размере 3% от исходного объема. Округляя, можно сказать, что линейная усадка составит одну треть объемной и поэтому в данном случае она будет равна 1 %. Однако, усадка может быть снижена (за счет повышения давления выдержки) до достижения удельного объема 0.85 куб.м/кг в точке извлечения 3. При этом дальнейшее повышение давления приведет к передержке и сделает невозможным извлечение детали из пресс-формы. В самом экстремальном варианте нулевой усадки при выталкивании, усадка, происходящая вне пресс-формы, составит 0.6%. Если необходимо обеспечить более высокие уровни усадки, приходит мириться с большей продолжительностью цикла с тем, чтобы дать детали охладиться (и, следовательно, сократиться в объемах) перед выталкиванием. Следовательно, в вышеуказанных условиях (выталкивание при температуре 100°С), минимальная линейная усадка будет равна 0,6%. Даная статья написана экспертами Итальянского технического центра обучения для переработчиков пластмасс «ЧЕЗАП» (CESAP) www.cesap.com |
