Влияние свойств сырья и параметров процесса переработки на усадку

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение среднего профессионального образования Новосибирской области «Новосибирский химико-технологический

колледж им. Д.И.Менделеева»

Разработчики: доц. ктн. Черных Е.В.

Кириллова Е.А.

Рассмотрено и согласовано на научно-методическом совете колледжа:

протокол №, от

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСАДКИ

Методические указания к лабораторной работе для практикума по спецтехнологии (дисциплины: «Технология пластических масс», и «Основы химии и физики полимеров») по специальности 18.02.07. «Технология производства и переработки пластических масс и эластомеров»

Новосибирск 2016

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСАДКИ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Одним из основных технологических показателей при формовании изделий из полимерных материалов является усадка. От условий протекания усадочных процессов зависит качество изделий. Усадку определяют как разность размеров изделия и оформляющей полости формы. Различают усадку объемную (уменьшение объема изделия при его остывании) и линейную (уменьшение линейных размеров при охлаждении изделий).

Существует ряд различных точек зрения относительно физических причин возникновения усадки. Считают, что наибольший вклад в абсолютную величину усадки вносит изменение размеров и формы изделия за счет разницы температурных коэффициентов линейного (объемного) расширения пластмасс и металла формы. Кроме того, существенно изменение объема за счет интенсивного выделения влаги и летучих в окружающую среду после съема изделия. Для реактопластов следует учитывать и химическую усадку смолы при отверждении.

Измерение усадки необходимо при изготовлении пластмассовых изделий для установления их точных размеров. Усадку определяют при проведении контрольных, приемочных и арбитражных испытаний сырья. В ГОСТах и ТУ на полимерные материалы предусмотрен, как правило, показатель усадочных свойств. При конструировании изделий и формующего инструмента для оценки эксплуатационных свойств изделий и выбора конструкционных материалов также необходимо знать усадочные свойства.

Полимерные материалы обладают анизотропией усадки: значения усадки вдоль направления и перпендикулярно направлению литья различны. При литье под давлением анизотропия усадки обусловлена ориентацией молекулярных цепей полимера (для ненаполненных термопластов) или частиц наполнителя (для наполненных термопластов и реактопластов). Анизотропия усадки существенно зависит от конструкции формы, расположения литников, их числа, направления движения расплава. Для реактопластов с порошкообразным наполнителем усадка в направлении течения может превышать в 1,3—1,5 раза усадку в перпендикулярном направлении, для волокнонаполненных реактопластов— в 1,8—2 раза. Для оценки эксплуатационных свойств изделий из реактопластов определяют дополнительную усадку - разность размеров изделий до и после термообработки, снижающей внутренние напряжения в изделиях. Термообработка устраняет неоднородность усадки, возникшую в результате неравномерности отверждения и остывания различных элементов изделия, предотвращает коробление изделий при последующей эксплуатации.

Влияние свойств сырья и параметров процесса переработки на усадку

В значительной степени величина и анизотропия усадки зависят от свойств сырья, параметров процесса переработки, числа и расположения литников, геометрических характеристик изделия.

Из термопластов наибольшей усадкой обладают кристаллические полимеры ввиду того, что у них велики температурные коэффициенты объемного и линейного расширения. Так, усадка при литье под давлением для некоторых видов термопластов составляет: полиамид 0,8-2,5 %; полиэтилен низкой плотности 1,5-3,0 %; полиэтилен высокой плотности 2,5-8 %; полипропилен 1,3-3,5 %. Аморфные же полимеры характеризуются меньшей усадкой, например: полистирол 0,4-0,6 %; поливинилхлорид 0,5-1,0 %; полиметилметакрилат 0,5-1,0 %. Введение наполнителей в термопласты и реактопласты уменьшает температурные коэффициенты объемного и линейного расширения и снижает усадку. Повышению размерной точности и уменьшению колебания усадки способствует высокая дисперсность наполнителя, равномерность его распределения по объему изделия.

Содержание летучих и влаги в сырье способствует увеличению усадки изделий. Так, снизив содержание остаточного фенола в пресс-порошке с 6 до 3,5 %, можно добиться уменьшения усадки отливок и изделий от 1,5-1,7 до 1,2-01,5 %. Использование материалов с малым содержанием свободного фенола обеспечивает получение более стабильных по размерам изделий.

При переработке гигроскопических гранулированных и порошкообразных материалов: полиамида, полиформальдегида, различных пресс-порошков реактопластов — следует иметь в виду, что повышенное влагосодержание в сырье вызывает появление усадочных раковин в изделии и повышенную усадку. С целью устранения дефектов, обусловленных протеканием усадочных явлений вследствие повышенной влажности, сырье предварительно подсушивают в сушилках полочного типа: термопласты при 70-100 °С в течение 1-2 ч (полиамиды и поликарбонаты 8-24 ч) и реактопласты при 50-70 °С в течение 10-24 ч.

Значительное влияние на усадку оказывает температура формования. При прессовании и литье реактопластов с увеличением температуры формования процесс отверждения проходит более полно и сопровождается выделением большего количества летучих и увеличением усадки. Усадка аморфного термопласта при литье под давлением зависит от температуры формы. Чем ниже температура формы, тем выше скорость охлаждения и тем меньше усадка аморфного термопласта. Усадка изделий из кристаллических полимеров также уменьшается при снижении температуры формы, поскольку в этом случае отвод тепла происходит быстрее и процесс кристаллизации протекает не полностью.

Увеличение времени выдержки изделия из термопласта под давлением способствует уменьшению усадки. Так, усадка изделий из поликарбоната снижается в два раза при изменении времени выдержки от 3 до 35 с при температуре формы 100 °С и давлении литья 100 МПа. Для реактопластов с повышением времени выдержки на стадии отверждения изделия от 1 до 5 мин усадка незначительно возрастает, а затем при времени выдержки от 5 до 15 мин усадка снижается. На усадку изделий из волокнитов увеличение времени выдержки практически не влияет. Такой технологический параметр, как давление формования (прессования, литья), оказывает существенное влияние на значение усадки. При очень низком давлении формования усадка обычно велика и точность размеров изделия мала, при слишком большом давлении усадка меньше, но возникают трудности при удалении изделий из формы (возможны повреждения).

Усадка зависит от отношения площади поверхности изделия к его объему. Чем больше это отношение, тем быстрее охлаждается деталь и тем больше ориентационные напряжения и, следовательно, усадка. Например, для двух изделий из полистирола (брусков шириной 20 мм и длиной 200 мм) с уменьшением толщины изделия от 6 до 2 мм и увеличением отношения поверхности к объему от 0,45 до 1,08 соответственно усадка возрастает в 1,9 раза.

На протекание усадочных процессов значительное влияние оказывает расположение литниковых каналов. С целью снижения усадки, вызывающей искривление плоских изделий, необходимо применять такие впускные литниковые каналы, например щелевые или многовпусковые, чтобы было обеспечено образование параллельных протоков в форме. Снижения ориентационных напряжений в изделии, т. е. анизотропии усадки, можно достигнуть, создав условия для перемешивания отдельных струй расплава при заполнении формы.

Для предупреждения повышенной усадки и коробления изделий рекомендуется использовать высокие температуры переработки (прессования, литья) и пониженные температуры формы, создавать равномерное температурное поле формы. С целью снижения внутренних напряжений в пресс-изделиях и отливках, вызывающих их коробление вследствие неравномерности усадки отдельных частей, изделия часто подвергают термообработке (отжигу). При этом изделие медленно нагревают до определенной температуры, называемой температурой отжига, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают. Температуру отжига предварительно выбирают для каждого вида изделия путем его выдержки в определенной среде (воздух, масло, вода) с постепенным повышением температуры на 3-5 °С до тех пор, пока не наступит изменение формы и размеров изделия. Температура отжига, например, для полиэтилена 100, полистирола 60-70, полиамида 150 °С. Продолжительность отжига колеблется от 3 мин до 6 ч для различных материалов. При термообработке реактопластов постепенно повышают температуру в течение 2,5 ч до 145 °С, выдерживают изделия при этой температуре в течение 1,5-2,5 ч и дают им медленно остыть до 40 °С. Термообработку изделий обычно проводят в термошкафах.